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El ADN y la ingeniería
genética
Ingeniería genética
Biotecnología
Utilización de los seres vivos
para obtener productos útiles al
ser humano
Utilización d...
Biotecnología
• Desde los comienzos de la historia la biotecnología
ha sido utilizada por el hombre en actividades tales
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• Los egipcios ya sabían fabricar pan a partir del
trigo hacia el 4000 a.C.
• Antes de la escritura del libro del Génesis,...
• La biotecnología como nuevo campo de
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de la década de los 70, considerándo...
AlimentosAlimentos
AntibióticosAntibióticos
Nuevos fármacosNuevos fármacos
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2. Obtención de fragmentos de ADN
1. Por enzimas de restricción
2. Por retrotranscriptasa
3. Obtenc...
Ingeniería genética
Se puede definir como la formación in vitro de nuevas
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Aplicaciones de la ingeniería genética
TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICA
• Son un conjunto de procedimientos que permiten la
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Ingeniería
genética
Técnicas que permiten modificar el material
genético, para dotar a las células vivas de
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La enzima EcorRI
corta el ADN en la
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El corte deja un extremo monocat...
Dada la secuencia de ADN siguiente:
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Síntesis del ADN complementario
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Hacer copias de fragmentos de ADN
Introducir el gen en la
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Se puede hacer de diferentes ...
Clonación del ADN
La clonación del ADN consiste en producir múltiples copias de un gen específico o de un
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VENTAJAS DE LOS PLÁSMIDOS COMO VECTORES DE
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Mayor estabilidad del ADN circular
durante su aislamiento químico.
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Clonación del ADN
La clonación más frecuente es la que utiliza como hospedador a la bacteria Escherischia coli,
y como vec...
Clonación del ADN
4. Se mezclan los plásmidos obtenidos con bacterias que tienen el gen lacZ inhabilitado por
una mutación...
La reacción es un proceso cíclico:
1. La molécula de ADN que va a copiarse
se calienta para que se desnaturalice y
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Técnica de la PCR
Cuando la muestra de ADN es muy escasa, el método de la clonación no es válido
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Una genoteca
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Sondas de ADN
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Selección de clones
Una vez desarrolladas las colonias de clones es necesario seleccionar las colonias que han
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Conocimiento previo de
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enfermo
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genética se construye una
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en cada una de sus celdillas una cantidad
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Ensayo de micromatrices de
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Sirve para saber si un tejido
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Análisis de fragmentos de ADN
La Electroforesis es una técnica analítica
de separación de moléculas cargadas
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Técnica utilizada para
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MÉTODO DE SOUTHERN BLOT
Secuenciación de ADN: método Sanger
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niños enfermos de
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OBTENCIÓN DE FÁRMACOS: Insulina, Vacunas, Factores de
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En caso de existir deficiencias a nivel
genético se puede hacer terápia génica
a nivel de células madre
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pueden dividirse indefinid...
Proyecto Genoma
• Genoma es el conjunto de genes que posee un organismo.
• El “proyecto genoma” pretende secuenciar el ADN...
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Investigación del Genoma Humano, organismo dependiente
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Beneficios médicos tras el conocimiento de la
estructura de cada gen humano
1. Diagnóstico en individuos con riesgo de ser...
Proyecto Genoma
Humano
60% idéntico
70% idéntico 98% idéntico
20% idéntico
Gusano 19.000
genes
Mosca 13.000 genes
Ratón 30...
Beneficios
1. Prevenir y curar enfermedades
hereditarias.
2. Conseguir mayor longevidad a
partir del estudio de los genes
...
Same Genome
Different Proteome
¿SÓLO EL GENOMA?
• Proteoma: Conjunto de proteínas
que se expresan de un genoma y
que varía según el estado en el que
se encuentre la célul...
Podemos diferenciar distintos tipos de proteómica:
1. Proteómica de expresión: consiste en ver la
diferencia de proteínas ...
news
2009
Declaración Universal de Derecho Humanos y Genoma Humano de la UNESCO (1997),
adoptada en 1998 por la Asamblea General de ...
DUDAS
• ¿Si fuera posible, a usted le gustaría hacerse un
test genético que le dijera las enfermedades que
sufriría en su ...
16 el adn y la ingeniería genética
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  1. 1. El ADN y la ingeniería genética
  2. 2. Ingeniería genética Biotecnología Utilización de los seres vivos para obtener productos útiles al ser humano Utilización de los seres vivos para obtener productos útiles al ser humano Alimentos Medicamentos Bebidas Alimentos Medicamentos Bebidas Tecnología del ADN recombinante (década 70) Si hay modificación de genes Animales y plantas transgenicas Animales y plantas transgenicas No hay modificación de genes
  3. 3. Biotecnología • Desde los comienzos de la historia la biotecnología ha sido utilizada por el hombre en actividades tales como la preparación del pan y de bebidas alcohólicas o para mejorar el rendimiento de cultivos y de animales domésticos. • La domesticación de plantas y animales ya comenzó en el período Neolítico. • Las civilizaciones Sumeria y Babilónica (6000 años a.C.) ya conocían cómo elaborar cerveza.
  4. 4. • Los egipcios ya sabían fabricar pan a partir del trigo hacia el 4000 a.C. • Antes de la escritura del libro del Génesis, se disfrutaba del vino en el Cercano Oriente: recuérdese que, según la Biblia, Noé "sufrió" (o disfrutó) accidentalmente los efectos de la fermentación espontánea del mosto de la uva (primera borrachera con vino). • Otros procesos biotecnológicos conocidos de modo empírico desde la antigüedad: – fabricación de queso – cultivo de champiñones – alimentos y bebidas fermentadas: salsa de soja, yogur, etc. – tratamiento de aguas residuales
  5. 5. • La biotecnología como nuevo campo de conocimiento, se ha extendido desde principios de la década de los 70, considerándose como "la aplicación de organismos, sistemas y procesos biológicos en las industrias de productos y servicios". Sin embargo, cada vez se incluyen más disciplinas en el ámbito de la biotecnología, lo que impide precisar dónde comienza la biotecnología o cuáles son las biotecnologías, aunque todas tienden a cumplir dos de los objetivos más antiguos de la humanidad: – controlar la reproducción, tanto humana como animal y vegetal. – controlar procesos naturales que proporcionen alimentos y sustancias de interés para la especie humana.
  6. 6. AlimentosAlimentos AntibióticosAntibióticos Nuevos fármacosNuevos fármacos VacunasVacunas HormonasHormonas Terapias génicasTerapias génicas Mejora de procesosMejora de procesos Obtención de nuevos alimentosObtención de nuevos alimentos Desarrollo de nutraceúticosDesarrollo de nutraceúticos Desarrollo de aditivosDesarrollo de aditivos Tratamiento de residuosTratamiento de residuos BiorremediaciónBiorremediación Energías limpiasEnergías limpias FarmaciaFarmacia Medio ambienteMedio ambiente DiagnósticoDiagnóstico Salud humanaSalud humana Agricultura y ganaderíaAgricultura y ganadería Calidad de alimentosCalidad de alimentos Calidad ambientalCalidad ambiental BIOTECNOLOGÍA; Ambitos de desarrollo
  7. 7. 1. Ingeniería Genética 2. Obtención de fragmentos de ADN 1. Por enzimas de restricción 2. Por retrotranscriptasa 3. Obtención de copias de ADN 1. Clonación molecular 2. PCR 4. Localización de fragmentos de ADN (sondas) 5. Secuenciación de nucleótidos 6. Ingeniería genética en plantas y animales 7. Terapia génica 8. Genoma Humano 9. Proteoma
  8. 8. Ingeniería genética Se puede definir como la formación in vitro de nuevas combinaciones de material genético, por medio de la inserción de un ADN de interés en un vehículo genético (vector), de modo que tras su introducción en un organismo huésped, el ADN híbrido (recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y eventualmente expresarse. Lo que se pretende mediante la ingeniería genética es lograr ciertos fines tanto en la ciencia pura como en la aplicada (producción microbiana de productos, plantas y animales transgénicos, nuevos diagnósticos).
  9. 9. Aplicaciones de la ingeniería genética
  10. 10. TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICA • Son un conjunto de procedimientos que permiten la manipulación del ADN de un organismo para conseguir nuevas formas de vida con combinaciones únicas de genes adecuadas a las necesidades humanas. • Mediante Ingeniería genética se puede transferir genes entre especies distintas, es decir de un organismo a cualquier otro. Con objeto de obtener organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos, terapia génica, etc. • ORGANISMOS GENÉTICAMENTE MODIFICADOS – Son organismos (bacterias, hongos, animales, plantas, etc., que contienen un gen procedente de otro organismo o transgen. – Para introducir el transgen en un organismo determinado se utilizan vectores de expresión o vehículos de transporte, como virus o plásmidos bacterianos
  11. 11. Ingeniería genética Técnicas que permiten modificar el material genético, para dotar a las células vivas de nuevas propiedades Permiten Cortar el ADN Hacer copias de fragmentos de ADN Pegar fragmentos de ADN Transportar fragmentos de ADN de una célula a otra “Tecnología del ADN recombinante”
  12. 12. La enzima EcorRI corta el ADN en la combinación de bases GAATTC, y entre las bases G y A. El corte deja un extremo monocatenario en cada fragmento de ADN, denominado extremo cohesivo o pegajoso, por donde puede unirse con una secuencia de bases complementaria. Moléculas de ADN de distinto origen cortadas con la misma enzima de restricción poseen extremos cohesivos que son complementarios. Inicialmente, la unión se lleva a cabo mediante enlaces de hidrógeno, pero es temporal. Puede hacerse definitiva en presencia de la ADN ligasa, que cataliza la formación de enlaces covalentes. La molécula así obtenida recibe el nombre de ADN recombinante o transgén. Las enzimas de restricción se deslizan en paralelo sobre la hebra de ADN hasta que encuentra los lugares en los que coincida la secuencia del ADN con la secuencia reconocida por la enzima.
  13. 13. Dada la secuencia de ADN siguiente: ...ATGCGAATTCCCGCCAGGTTATGCAATTCATG... ...TACGCTTAAGGGCGGTCCAATACGTTAAGTAC... ¿Cuántos y cuáles serían los fragmentos que originaría si se corta con la enzima de restricción EcoRI? ...ATGCG AATTCCCGCCAGGTTATGCAATTCATG... ...TACGCTTAA GGGCGGTCCAATACGTTAAGTAC...
  14. 14. Síntesis del ADN complementario Debido a la presencia de intrones y exones, los procariotas no pueden llevar a cabo directamente la traducción del ARNm de eucariotas, lo que impide la obtención de muchas copias de un ADN recombinante por esta vía. La alternativa es la síntesis de un ADN de cadena sencilla gracias a la transcriptasa inversa. El procedimiento es el siguiente: 2. El ARNm maduro sirve como molde para la síntesis de un ADN complementario de cadena sencilla, un hecho posible gracias a la transcriptasa inversa. Una vez finalizada la síntesis se hidroliza el ARNm añadiendo NaOH a la disolución. 3. En el ADNc se forma un lazo en horquilla que se convierte en cebador para la ADN polimerasa I. 4. La ADN polimerasa I sintetiza la segunda hebra de ADNc. Finalmente se elimina la horquilla con una nucleasa S1, y se obtiene un ADNc de doble cadena que carece de intrones y puede ser traducido por las bacterias. 1. Se aísla un ARN maduro (que ya ha sufrido el proceso postranscripcional) y se añade un oligonucleótido de timina que actúe como cebador de la transcriptasa inversa a la cola poliA.
  15. 15. Hacer copias de fragmentos de ADN Introducir el gen en la bacteria y dejar que se reproduzca Se puede hacer de diferentes formas Mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
  16. 16. Clonación del ADN La clonación del ADN consiste en producir múltiples copias de un gen específico o de un fragmento de ADN en el interior de un organismo que hace las veces de hospedador. VECTOR DE CLONACIÓN Son moléculas de ADN capaces de transportar ADN extraño y replicarse dentro del organismo hospedador. Los más utilizados son: Plásmidos: pequeñas moléculas de ADN bicatenario y circular que se localizan en bacterias. No forman parte del cromosoma bacteriano. Virus bacteriófagos: son virus que infectan bacterias. Los más empleados son los bacteriófagos lambda (λ). Pueden llevar más ADN foráneo que los plásmidos. Cósmidos: son vectores híbridos, entre el fago lambda y un plásmido. La cantidad de ADN foráneo que pueden llevar es mucho mayor que la de los plásmidos. HOSPEDADOR La mayoría son organismos procariotas, pero también es posible hacerlo con eucariotas como la levadura. Los requisitos de un hospedador son: Ser de crecimiento rápido para obtener varias generaciones en poco tiempo. No ser patógeno, para que no produzca infecciones. Favorecer la entrada del transgén en su interior, e incorporar a su genoma el ADN de interés. Ser ampliamente conocido y fácilmente manipulable. es introducido en un
  17. 17. VENTAJAS DE LOS PLÁSMIDOS COMO VECTORES DE CLONACIÓN Mayor estabilidad del ADN circular durante su aislamiento químico. Facilidad de aislamiento y manipulación por su pequeño tamaño. Presencia de un origen de replicación independiente, fuera del control del cromosoma. La existencia en una célula de varias copias haciendo posible la amplificación del ADN. Fácil detección y selección de clones por la presencia de marcadores específicos (genes de resistencia a antibióticos). BamH I Sal I Resistencia a la ampicilina Hind III Zonas de corte para enzimas de restricción Resistencia a la tetraciclina Origen de la replicación de ADN ESTRUCTURA DEL PLÁSMIDO pBR332 EcoR I
  18. 18. Clonación del ADN La clonación más frecuente es la que utiliza como hospedador a la bacteria Escherischia coli, y como vector de clonación uno de sus plásmidos. El procedimiento es el siguiente: 1. Se insertan genes marcadores en el plásmido. Por ejemplo, el gen lacZ, que sintetiza un producto de color azul y solo contiene un sitio de restricción. 2. Se cortan el ADN humano y el plásmido con la misma enzima de restricción. Se obtendrán varios fragmentos de ADN humano ya que son numerosos los sitios de restricción, en tanto que el plásmido quedará cortado por el gen lacZ, que quedará inactivado. 3. Se mezclan los plásmidos con los fragmentos de ADN humano. El ADN humano se inserta en algunos de los plásmidos, gracias a los extremos cohesivos. Se obtienen algunos plásmidos recombinantes, y otros que no lo son. Resistencia a antibióticos
  19. 19. Clonación del ADN 4. Se mezclan los plásmidos obtenidos con bacterias que tienen el gen lacZ inhabilitado por una mutación. Las bacterias incorporan los plásmidos, si bien unos plásmidos tendrán el gen de interés y otros no, e incluso algunos plásmidos no será recombinantes. 5. Se siembran las bacterias sobre una placa de Petri con un medio de cultivo adecuado para provocar un comportamiento diferente en los tres tipos de bacterias. En este caso, las que no contienen el plásmido mueren. Las que contienen un plásmido no recombinante producirán colonias de color azul, proporcionado por el gen lacZ. Las que lleven un plásmido recombinante, con o sin el gen de interés, serán blancas, ya que el gen lacZ está inactivado. Plásmido no recombinante Plásmido recombinante sin el gen de interésPlásmido recombinante con el gen de interés
  20. 20. La reacción es un proceso cíclico: 1. La molécula de ADN que va a copiarse se calienta para que se desnaturalice y se separe las dos hebras. 2. Cada una de las hebras es copiada por la ADN-polimerasa. (Se utiliza la ADN- polimerasa de una bacteria que vive en aguas termales, Thermus aquaticus, así la enzima puede trabajar a altas temperaturas). 3. Las cadenas recién formadas son separadas de nuevo por el calor y comienza otro nuevo ciclo de copias. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) Técnica de biología molecular desarrollada en 1986 por Kary Mullis, lo que le llevó a recibir el premio Nobel de Química de 1993.
  21. 21. Técnica de la PCR Cuando la muestra de ADN es muy escasa, el método de la clonación no es válido para obtener una cantidad suficiente de muestra. En estos casos se utiliza otra técnica llamada reacción en cadena de la polimerasa (PCR). 5’ 3’ 3’ 5’ 1. El primer paso consiste en la desnaturalización de la muestra de ADN, mediante el calentamiento de la misma, junto con nucleótidos, cebadores y ADN polimerasa. De esta manera se obtienen dos cadenas simples que servirán de molde. 2. Al dejar enfriar la mezcla, los cebadores hibridan con las cadenas simples, uniéndose a cada uno de los extremos de las hebras de ADN que se han separado en la etapa anterior. 3. Finalmente, se produce la extensión de las hebras de ADN gracias a la acción de la Taq- polimerasa, que va agregando nucleótidos en el extremo 3’ del cebador. Estas tres etapas se repiten durante varios ciclos, multiplicándose geométricamente el número de copias de la molécula de ADN hasta alcanzar la cantidad necesaria.
  22. 22. Una genoteca contiene muchos clones Hay que identificar el que nos interesa Sondas de ADN Sondas de ADN • Oligonucleótidos de cadena sencilla • Se pueden sintetizar a partir de la secuencia de bases del gen o de la secuencia de aminoácidos de la proteína • Están marcadas (radiactividad o fluorescencia) para poder ser identificadas Identificación de clones • Una genoteca es una colección de clones cada uno de los cuales contiene un vector al que se le ha insertado un fragmento de ADN derivado del ADN o el ARN totales de la célula o tejido. • La colección de clones debería contener, teóricamente, todas las secuencias existentes en la fuente original de ADN, es decir, debería contener muestras de todo el ADN del organismo. • Para encontrar el gen de interés hay que utilizar sondas de ácidos nucleicos. • Estas genotecas pueden ser de plásmidos, fagos o de ADNc Almacenamiento de genes clonados
  23. 23. Selección de clones Una vez desarrolladas las colonias de clones es necesario seleccionar las colonias que han incorporado los plásmidos recombinantes que contienen el gen de interés. Para ello se utilizan sondas de ADN. ¿Qué es una sonda de ADN? Son pequeños oligonucleótidos de cadena sencilla, marcados radiactivamente o con una molécula fluorescente. ¿Cómo actúa? Forma híbridos con el ADN recombinante en el gen de interés, lo que permite la localización de este último gracias a su radiactividad o fluorescencia. ¿En qué se fundamenta? Para poder hibridar, el oligonucleótido debe ser complementario de parte o toda la secuencia del gen de interés, lo que requiere una de las dos condiciones:  que la secuencia de ADN del gen (toda o parte) sea conocida, o;  que la secuencia de aminoácidos de la proteína que codifica sea conocida. Conocida esta información la sonda se puede obtener mediante síntesis.
  24. 24. Conocimiento previo de la secuencia de ADN enfermo Mediante ingeniería genética se construye una sonda de ADN, marcada (marcaje fluorescente), con la secuencia complementaria del ADN enfermo ADN enfermo ADN sano ADN complementario del ADN enfermo Diagnóstico de enfermedades de origen genético ADN de la persona que se quiere diagnosticar ¿Hibridación? ¿No hibridación? Renaturalizac ión del ADN con la sonda fluorescente Desnatura lización del ADN Si aparecen bandas fluorescentes demuestra que la persona presenta la anomalía DIAGNÓSTICO
  25. 25. Biochips. Son láminas de vidrio donde se fija en cada una de sus celdillas una cantidad ínfima de fragmentos de ADN de cadena simple y que actúa como sonda para un gen determinado. Se utilizan para: Detectar mutaciones (genes de enfermedades, etc.). Controlar la expresión de genes (líneas cancerosas) Diagnosticar enfermedades infecciosas. Personalizar el tratamiento con medicamentos. Sugerir nuevas técnicas diagnósticas o terapéuticas.
  26. 26. Ensayo de micromatrices de ADN Sirve para saber si un tejido normal presenta genes alterados que podrían provocar una enfermedad Biochip Microarray DNAchip
  27. 27. Análisis de fragmentos de ADN La Electroforesis es una técnica analítica de separación de moléculas cargadas eléctricamente, debido a la diferente movilidad que presentan cuando son sometidas a un campo eléctrico. Se pueden separar fragmentos de ADN o ARN, en un gel de agarosa, obteniéndose un patrón de bandas dependiendo del tamaño de los distintos fragmentos.
  28. 28. Huella genética Técnica utilizada para distinguir entre los individuos de una misma especie. Se basa en se analizar zonas del ADN altamente variables o microsatélites (distinta repetición y con diferente grado de recombinación debido a la inestabilidad del locus). Estas zonas se cortan en piezas de diferentes tamaños usando enzimas de restricción. Se obtienen un bandeado característico en la técnica de electroforesis. Estos fragmentos se pueden analizar al utilizar sondas genéticas.
  29. 29. Bebe B Bebe C Bebe A
  30. 30. MÉTODO DE SOUTHERN BLOT
  31. 31. Secuenciación de ADN: método Sanger Una vez seleccionados los clones que contienen el gen de interés es el momento de descifrar la secuencia de nucleótidos que lo forman. Para ello, uno de los métodos más utilizados es el método didesoxi de Sanger. 1. Este método utiliza didesoxirribonucleótidos, cuya incorporación a la secuencia de ADN provoca la terminación de la cadena, ya que no se puede añadir ningún ribonucleótido más al extremo en el que se incorporan. 2. Como primer requisito se necesita un gran cantidad de la muestra, por lo que es necesario clonar el fragmento de ADN seleccionado. A continuación, se desnaturaliza el ADN y se obtienen cadenas simples que se incuban en un tubo de ensayo junto con el resto del material. 3. Se inicia la síntesis de nuevas cadenas de ADN que utilizan como molde el ADN que se quiere secuenciar. Las cadenas incorporan un desoxirribonucleótido por azar e interrumpen su síntesis. Al realizar miles de copias se obtienen múltiples cadenas de longitud variable, que se diferencian en un nucleótido. Al identificar los desoxirribonucleótidos terminales de las cadenas se puede “leer” la secuencia de nucleótidos del fragmento de ADN analizado.
  32. 32. Los fragmentos de ADN obtenidos se separan por tamaños con electroforesis Cada una de las cuatro muestras se insertan en un carril diferente del gel
  33. 33. Aplicaciones de la secuenciación Detección de mutaciones Método de diagnóstico rutinario (relación entre enfermedad y mutación puntual) Secuenciación de ADNs fósiles Posibilidad de aislar secuencias de ADN a partir de unas pocas copias (la mayoría están dañadas o degradadas) Diagnóstico de enfermedades genéticas Diagnóstico prenatal / Diagnóstico preimplantación de enfermedades hereditarias o determinación del sexo del feto previamente a su implantación en procesos de fecundación in vitro Identificación de especies y control de cruces entre animales Para descubrir fraudes comerciales, tales como vender carne de una especie más barata a los precios de otra más cara, o el comercio ilegal de especies en peligro Secuenciación de genomas Conocimiento básico y aplicado de diferentes organismos (incluido el genoma humano)
  34. 34. PRODUCTO SISTEMA DE PRODUCCIÓN INDICACIÓN TERAPÉUTICA ANTICOAGULANTES Escherichia coli Infarto de miocardio HIRUDINA Saccharomyces Prevención de trombosis INSULINA Escherichia coli / Saccharomyces Diabetes HORMONA DEL CRECIMIENTO Escherichia coli Retraso del crecimiento y Síndrome de Turner HORMONA PARATIROIDEA Escherichia coli Osteoporosis CALCITONINA Escherichia coli Enfermedad de Plaget GLUCAGÓN Saccharomyces Hipoglucemia F. HEMATOPOYÉTICOS INTERFERÓN Escherichia coli Hepatitis B y C INTERLEUQUINA Escherichia coli Cáncer de riñón VACUNAS: ANTIHEPATITIS A y B Saccharomyces Prevención de hepatitis A y B Aplicaciones farmacológicas de la IG
  35. 35. Obtención de organismos transgénicos u Organismos Modificados Geneticamente (OMG) Aplicaciones: En la agricultura, plantas resistentes a condiciones ambientales (sequía, suelos salinos, suelos pobres), enfermedades, herbicidas, mejorar la calidad nutritiva, prologar el proceso de maduración, aumentar la productividad, etc En la ganadería: animales más productivos y resistentes En Medicina y Farmacología:  Cultivos farmacéuticos (Biofarmacia): Conseguir plantas que sintetizan fármacos en grandes cantidades e incluso se puedan administrar mediante el consumo de la propia planta (por ejemplo vacunas)  Animales de laboratorio transgénicos que sirven como modelo experimental para el estudio de enfermedades y fármacos Obtener órganos de animales para trasplantes Granjas farmacéuticas: animales que producen fármacos y los excretan por la leche En la industria: Obtener plásticos biodegradables, microorganismos para industria alimentaria Contaminación ambiental : Biorremediación mediante el uso de microorganismos y plantas transgénicas Obtención de biocombustibles a partir de plantas transgénicas
  36. 36. Plantas transgénicas tumores célula vegetal Proliferación de hormonas crecimiento. Se forman tumores en las zonas de la lesión Plásmido Ti núcleo cromosoma cromosoma Agrobacterium inductor de tumores contiene oncogenes (genes onc) Ingeniero genético natural tras sutitución de genes onc por genes de interés Transgénesis= introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares. Agrobacterium tumefaciens es patógena de plantas.Produce tumores La producción de plantas transgénicas se realiza con la finalidad de mejorar el rendimiento de los cultivos, aumentar su resistencia a las plagas y los herbicidas, y para la producción de sustancias de interés farmacológico.
  37. 37. Ejemplo del empleo de la ingeniería genética en la lucha contra plagas Bt (Bacillus 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 y deben ser ingeridos para ejercer su acción. Una vez ingeridos, las enzimas digestivas del insecto activan la fórmula tóxica de la proteína. Las proteínas Cry se ligan a "receptores" específicos del revestimiento interno de los intestinos y dañan las células. Los insectos dejan de comer dos horas después de haber ingerido el primer bocado y, si han comido suficiente cantidad de toxina, mueren dos o tres días después. Durante más de treinta años se han aplicado con éxito en una serie de cultivos diversas fórmulas líquidas y granuladas de Bt contra lepidópteros (orugas). La inserción en el maíz del gen procedente de Bacillus thurigiensis,que codifica esta proteína tóxica para el insecto, que provoca la enfermedad conocida como “taladro del maíz”, hace que esta planta se vuelva resistente al insecto.
  38. 38. El gen Bt de la bacteria Bacillus thuringiensis proporciona resistencia a las plagas al producir una toxina (Bt) que produce la muerte de las larvas del taladro del maíz a las pocas horas de haberse alimentado con la planta. OBTENCIÓN DE MAIZ TRANSGÉNICO
  39. 39. Problemas:La toxina Bt en las plantas transgénicas tiene propiedades sustancialmente diferentes a la toxina Bt en su forma natural. La toxina puede ser transmitida a través de la cadena alimenticia, un efecto que nunca ha sido observado en la toxina Bt en su forma natural. Larvas de especies de insectos predadores benéficos (larvas verdes de crisopa) murieron cuando fueron alimentadas con el gusano barrenador europeo
  40. 40. 1. Los OMG 1.2. ¿Para que se obtienen los OMG? ¿Para que se obtienen los Organismos Modificados Genéticamente? Flavr Svr Resistencia a herbicidas Soja Roundup Ready® Que sus productos tengan una vida comercial más larga Resistencia a plagas de insectos Maíz Bt Lepidópteros Tengan mejores cualidades nutritivas Arroz dorado βcaroteno (Vitamina A)
  41. 41. • Arroz dorado: Posee Betacarotenos de un narciso y de una bacteria. • El Betacaroteno es un precursor de la Vitamina A. • Deficit de Vit. A es un grave problema de salud: 3 millones niños la padecen (Sur de Asia) • Previene de: diarreas, tuberculosis, malaria y de la transmisión de madres a hijos del SIDA.
  42. 42. • Patatas con vacunas del cólera. • Soja con anticuerpos frente al virus herpex • Tabaco con anticuerpos frente a caries dental producido por Streptococcus mutans y con interferon.
  43. 43. Características incorporadas a cultivos transgénicos Resistencia a hongos Tolerancia a herbicidas Otros Resistencia a insectos Tolerancia a virus 3 % 7 % 30 % 8 % 52 %
  44. 44. Transgénesis en animales (por microinyección de zigotos)
  45. 45. Salmón transgénico por hormona de crecimiento. Producido por AF Protein Inc. Cuenta con el promotor de la proteína de anticongelamiento de otra especie de pez. Crece de 4 a 6 veces más rápido que un salmón no transgénico. Tiene un 20% en mejoramiento de la eficiencia de conversión del alimento. Ingeniería Genética: Nuevos animales (ISB, 2001, oct; Netlink, 2000). (Hoag, H. Nature, 27 enero 2003). VACAS LECHERAS con incremento de proteínas. En Nueva Zelanda se clonaron vacas con óvulos mejorados genéticamente, para mejorar la producción del queso y crema, aumentando dos veces la kappa caseína, crucial para hacer la cuajada y de 20% más de beta caseina, que mejora la acción del cuajo
  46. 46. Cerdos transgénicos con hormonas de crecimiento. En la foto cerdos transgénicos coloreados con genes verdes fluorescentes de medusas Antitrombina humana III, anticoagulante sanguíneo secretada en leche de cabras transgénicas. Cabras transgénicas para producir BioSteel fibra hecha por el hombre con propiedades de tela de araña.
  47. 47. célula de ubre de la oveja A óvulo no fecundado de la oveja donante eliminación del núcleo ( ADN) del óvulo fusión entre la célula de la oveja A y el óvulo no fecundado sin núcleo desarrollo del embrión (in vitro) implante del embrión en el útero de una oveja receptora Dolly (clon de A) Oveja adulta A Oveja adulta donante Oveja adulta receptora Clonación de animales
  48. 48. 1. Los investigadores cogieron células de la glándula mamaria de una oveja adulta. 2. Cogieron óvulos no fertilizados de otra oveja y les extrajeron en núcleo. 3. Insertaron 277 núcleos de la células adultas en otros tantos óvulos. Sólo 29 sobrevivieron. 4. Los 29 óvulos se implantaron en el útero de 13 ovejas nodrizas. Sólo una quedo preñada y parió a Dolly
  49. 49. Dolly (1997-2003), la primera oveja obtenida por clonación a partir de células adultas
  50. 50. Mansa (nació en 2002) Primera ternera clonada y transgénica. Produce la hormona de crecimiento humana en la leche
  51. 51. Pampero y Mansa Pampero y nodriza
  52. 52. Terneros clonados y manipulados genéticamente (fábrica de anticuerpos humanos) genes para anticuerpos células dérmicas clonación humanos recombinantes Objetivo: Tratamiento de enfermedades inmunológicas Futuro: Tratamiento de una amplia gama de enfermedades ocasionadas por bacterias y virus, como hepatitis, ántrax (utilizada como arma biológica) Clonan terneros en EE UU para producir anticuerpos humanos
  53. 53. Clonan cerdos destinados a trasplantar sus órganos a humanos La empresa escocesa PPL Therapeutics logra retirar de los cerditos el gen que provoca el rechazo en transplantes a humanos "alfa 1,3 galactosil transferasa" Paso importante en favor del xenotrasplante (transferencia de células u órganos de una especie a otra) Ayudará a superar la escasez de órganos humanos para hacer trasplantes de todo tipo
  54. 54. No es ciencia ficción. La empresa Nexia Biotecnologia consiguió aislar un gen responsable de la codificación de una proteína existente en hilos de tela de una determinada araña. Esta sustancia se mostró como una de las más fuertes y elásticas jamás conocidas. Al implantar este gen de la araña en el genoma de una cabra antes de ser fertilizada, se logró que esta cabra transgénica produjese leche codificada con los hilos de la tela de araña. A partir de esta proteína se consiguió una fibra artificial con varias aplicaciones, como hilos de sutura más resistentes y biodegradables, así como de
  55. 55. Un laboratorio de Texas clona al primer animal doméstico "Copycat" es el primer gatito nacido mediante clonación" febrero 2002 Universidad College Station (Texas) El experimento abre las puertas de la clonación masiva de animales domésticos, un fin sin explorar cuya sola posibilidad había desencadenado ya el almacenamiento de células de mascotas por parte de sus ricos propietarios El sexto día El ataque de los clones
  56. 56. Ingeniería genética y medio ambiente BioadsorciónBioadsorción BiolixiviaciónBiolixiviación Obtención de metales a partir de minerales de baja ley Obtención de metales a partir de minerales de baja ley Fijación de metales pesados a la superficie de la célula para limpieza de suelos Fijación de metales pesados a la superficie de la célula para limpieza de suelos Deinococcus radiodurans: De los microorganismos más resistentes a la radiación que se conocen, ha sido modificado genéticamente para que pueda consumir el tolueno y los iones de Mercurio de desperdicio nuclear altamente radiactivos
  57. 57. La biorremediación consiste en la utilización de microorganismos frente a la contaminación. BIODEGRADACIÓN DEL PETRÓLEO Algunos tipos de bacterias, mohos y levaduras y algas verdes pueden crecer sobre el petróleo, decomponiéndolo. Esto es útil cuando se produce un vertido. TRATAMIENTO MICROBIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES Los microorganismos se emplean para eliminar las sustancias orgánicas, que contaminan el agua, mediante reacciones de fermentación. Se obtiene productos como dióxido de carbono, amoniaco, nitratos, sulfatos y fosfatos. REMEDIACIÓN DE VERTIDOS TÓXICOS Muchas plantas que poseen una capacidad natural para concentrar metales pesados, pueden potenciar esa cualidad mediante un tratamiento de ingeniería genética. Ingeniería genética y medio ambiente
  58. 58. TERAPIA GÉNICA Terapia génica. Es un tratamiento médico que consiste en manipular la información genética de células enfermas para corregir un defecto genético o para dotar a las células de una nueva función que les permita superar una alteración. En principio existen tres formas de tratar enfermedades con estas terapias: ► Sustituir genes defectuosos o reparar la secuencia mutada. ► Inhibir o contrarrestar efectos dañinos. Se silencia un gen que produce una proteína dañina (se actúa sobre el ARN mensajero para que no pruduzca la proteína. ► Insertar genes nuevos. ♦ Se insertan genes suicidas que destruyen la célula que los aloja. ♦ Insertar genes estimuladores de la respuesta inmune. ♦ Introducir una copia de un gen normal sustituyendo un gen mutante
  59. 59. Terapia génica • Estrategias Terapéuticas: enviar una información a un grupo de células del organismo puede hacerse de dos formas distintas – Inyectando directamente el vector en el paciente (estrategia in vivo dentro del cuerpo) – Inyectando el gen en células sanas del paciente que se han extraído antes mediante una biopsia (estrategia ex vivo fuera del cuerpo). • ¿Qué tipo de células pueden emplearse en la terapia génica? Se pueden emplear dos tipos : – Células del propio paciente: estas células se modifican en el laboratorio, antes de re-inyectarlas. – Células Madre: Células con gran capacidad de multiplicarse y que pueden generar cualquier tipo de célula de un organismo adulto. Estas células pueden extraerse del propio paciente o proceder de cultivos mantenidos en el laboratorio.
  60. 60. La terapia génica ha logrado restaurar la función inmune en 13 niños enfermos de inmunodeficiencia combinada severa (SCID, sus siglas en inglés) -conocidos coloquialmente como niños burbuja-, de los 16 que participaron en los estudios. Consiste en retirar células madre hematopoyéticas del propio niño enfermo, reparar el defecto genético que portan y volverlas a introducir en el paciente para que puedan multiplicarse, ir reemplazando poco a poco a las defectuosas y restaurar el sistema inmune. Un ensayo anterior tuvo que suspenderse porque algunos niños desarrollaron leucemia
  61. 61. ADRENOLEUCODISTROFIA "Es la primera vez que una enfermedad grave del cerebro ha sido tratada con éxito mediante la terapia génica. Yo uso el término tratado; no curado. La patología se ha detenido“. El tratamiento al que hace referencia 'Science' consiste en la extracción de células madre sanguíneas obtenidas en sangre periférica, gracias a su movilización desde la médula ósea con la ayuda de tratamiento farmacológico. Una vez en el laboratorio, éstas son infectadas y tratadas con el virus de inmunodeficiencia humana (VIH), que ha sido previamente modificado para evitar su efecto patógeno. De esta forma actúa como un 'taxi' biológico para transportar la versión correcta del gen que está defectuoso [localizado en una región del cromosoma llamada Xq28] que causa la enfermedad. La adrenoleucodistrofía, se produce por mutaciones en el gen ABCD1 que codifica para la proteína adenosín trifosfata (ALD). La deficiencia de esta proteína causa la acumulación de niveles altos de ácidos grasos saturados en el cerebro y en la corteza adrenal, lo que desencadena la degeneración de la cubierta de mielina y de la glándula adrenal.
  62. 62. OBTENCIÓN DE FÁRMACOS: Insulina, Vacunas, Factores de Coagulación
  63. 63. OBTENCIÓN DE FÁRMACOS: Insulina, Vacunas, Factores de Coagulación Plásmido híbrido ADN vírico Plásmido bacteriano Virus de la hepatitis B Proteínas víricas Plásmido híbrido introducido en la célula Las proteínas inducen la producción de anticuerpos La vacuna produce inmunidad contra la hepatitis B
  64. 64. En caso de existir deficiencias a nivel genético se puede hacer terápia génica a nivel de células madre 1 Cultivo de blastocisto Fecundación Embrión temprano 4 Transferencia de los agregados celulares a un nuevo pozo 5 Formación de células diferenciadas a tejidos dañados 3 Adición de sustancias que disgregan la masa celular interna 2 Eliminación de la capa externa 6 Adición de factores de diferenciación seleccionados 7 Administración de células diferenciadas a tejidos dañados CREACIÓN DE UN EMBRIÓN ARTIFICIAL (con células adultas) -embrión somático- OBJETIVO ÚLTIMO: AUTOTRASPLANTES (no hay rechazo) Fusión de célula somática y ovulo enucleado OBJETIVO ÚLTIMO: TRATAMIENTO de ENFERMEDADES
  65. 65. • Consiste en realizar un estudio genético del embrión (estadio de 8 células) y seleccionar el embrión que no sea portador de los genes que determinan una enfermedad. • La Comisión de Reproducción Humana Asistida debe autorizar estas actuaciones caso por caso. • En algunos casos se utiliza esta técnica para seleccionar embriones sanos que puedan servir como donantes para tratar enfermedades en hermanos enfermos que no han encontrado donantes compatibles. http://www.elpais.com/articulo/ultima/toco/loteria/octubre/elpepiult/20090723elpepiult_1/Tes DIANÓSTICO PREIMPLANTACIONAL
  66. 66. • Las células madre o células troncales (en inglés, stem cells) son células indiferenciadas que pueden dividirse indefinidamente produciendo nuevas células madre, pero en condiciones adecuadas se diferencian en uno o varios tipos celulares especializados. • Por lo tanto presentan tres características,  son indiferenciadas, es decir, no tienen ninguna especialización que les permita realizar una función determinada,  tienen la capacidad de autorrenovación (división)  y pueden diferenciarse, son capaces de generar células especializadas con funciones y características muy determinadas. Las células madre pueden ser Totipotentes Capaces de generar un organismo completo (primeras divisiones del cigoto) Pluripotentes Capaces de generar cualquier tipo de tejido (hasta 5º día) Multipotentes Pueden generar diversos tejidos de un tipo celular determinado Las células madre
  67. 67. Proyecto Genoma • Genoma es el conjunto de genes que posee un organismo. • El “proyecto genoma” pretende secuenciar el ADN de una especie e identificar los genes. • El “Proyecto Genoma Humano” (PGH) comenzó en 1990 y se completó en abril de 2003, pero se continúa con él porque, se conoce la secuencia de nucleótidos pero se pretende interpretar la información hasta conocer la posición de los genes y su función. • Características del genoma humano: – Contiene unos 3200 millones de pares de bases – Solo el 2% pertenece a genes con información para fabricar proteínas (proteoma: conjunto de proteínas codificadas por un genoma). Contiene unos 25.000 genes pero se desconoce la función de casi la mitad de ellos – Es casi igual para todos los seres humanos. Solo nos diferencia el 0,1% – Casi la mitad de las proteínas humanas son muy semejantes a las de otros seres vivos. • Así, además de la genómica se ha iniciado una etapa proteómica o Proyecto Proteoma.
  68. 68. • 1988. El doctor Watson es nombrado director de la Oficina de Investigación del Genoma Humano, organismo dependiente de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de EEUU. Afirma que el genoma podrá estar descodificado para el año 2005 y que le costará al Gobierno alrededor de 3.000 millones de dólares. • 1990. El doctor Craig Venter, un investigador de los NIH, desarrolla un método más corto para encontrar fragmentos del genoma humano. Demuestra que, a partir de estos fragmentos, se puede identificar a los genes completos. • Mayo 1998. Venter se 'pasa' a una nueva compañía que pretende secuenciar el genoma humano en tres años, es decir, dos años antes de la fecha prevista por el proyecto estatal. La compañía se llamará Celera. • Junio 2000. En un día que el presidente Clinton califica de histórico, Venter y Collins aparcan sus diferencias y anuncian que se ha logrado el primer borrador del genoma humano secuenciado • 12 de Febrero de 2001. La empresa Celera publica la secuenciación del genoma en la revista 'Science'. El consorcio público hace lo mismo en 'Nature'
  69. 69. Beneficios médicos tras el conocimiento de la estructura de cada gen humano 1. Diagnóstico en individuos con riesgo de ser portadores del gen de alguna enfermedad 2. Marco de trabajo para el desarrollo de nuevas terapias, además de nuevas estrategias para la terapia génica 16 de Febrero de 200116 de Febrero de 2001 Celera GenomicsCelera Genomics 15 de Febrero de 200115 de Febrero de 2001 Consorcio público internacionalConsorcio público internacional Proyecto genoma humanoProyecto genoma humano La secuencia del genoma es un atajo valioso: ayuda a los científicos a encontrar los genes más fácil y rápidamente y sienta las bases para averiguar la función de los genes identificados
  70. 70. Proyecto Genoma Humano 60% idéntico 70% idéntico 98% idéntico 20% idéntico Gusano 19.000 genes Mosca 13.000 genes Ratón 30.000 genes Chimpancé 30.000 genes Datos comparativos de genomas de diferentes animales con el ser humano. Humanos 30.000 genes
  71. 71. Beneficios 1. Prevenir y curar enfermedades hereditarias. 2. Conseguir mayor longevidad a partir del estudio de los genes implicados en el envejecimiento. 3. Recaudar información acerca de nuestro origen, el de nuestros antepasados y el de otras civilizaciones a través el análisis del ADN. 4. Conocer la huella genética de un delincuente a través del análisis del pelo, uñas o una gota de sangre. Desventajas 1. Que las compañías aseguradoras, empresarios, ejército u otras personas utilizaran de manera deshonesta este tipo de información. 2. Pérdida de la privacidad y confidencialidad de la información. 3. Impacto psicológico y estigmatización de la sociedad ante un individuo genéticamente diferente. 4. Mejoras genéticas para determinar características específicas de los individuos, pero que no están relacionadas con el tratamiento de enfermedades. 5. Comercialización de la información genética.
  72. 72. Same Genome Different Proteome ¿SÓLO EL GENOMA?
  73. 73. • Proteoma: Conjunto de proteínas que se expresan de un genoma y que varía según el estado en el que se encuentre la célula: estrés, bajo el efecto de fármacos, de una hormona, de un neurotransmisor… • Proteómica: Ciencia que correlaciona las proteínas con sus genes ó el estudio y caracterización de todo el conjunto de proteínas expresadas de un genoma. PROTEÓMICAPROTEÓMICA
  74. 74. Podemos diferenciar distintos tipos de proteómica: 1. Proteómica de expresión: consiste en ver la diferencia de proteínas que contiene una célula en función de una variación que ha experimentado. Así en medicina, se pueden conocer las nuevas proteínas asociadas a una enfermedad comparándolas con las de una célula sana. 2. Proteómica del mapa celular. Estudia la diferente localización de las diferentes proteínas en los distintos orgánulos celulares. 3. Proteómica funcional: estudio de los grupos de proteínas que interrelacionan en la realización de una función, en la transmisión de una señal, en el mecanismo de una enfermedad o en la interacción proteína-fármaco.
  75. 75. news 2009
  76. 76. Declaración Universal de Derecho Humanos y Genoma Humano de la UNESCO (1997), adoptada en 1998 por la Asamblea General de ONU (busca un balance entre una continuación en las investigaciones y la salvaguarda de los derechos humanos) Frente a los múltiples beneficios de la ingeniería genética pueden surgir algunos problemas Problemas sanitarios nuevos microorganismos patógenos, efectos secundarios de nuevos fármacos de diseño, etc... Problemas ecológicos desaparición de especies con consecuencias desconocidas, nuevas contaminaciones debidas a un metabolismo incontrolado, etc... Problemas sociales y políticos en el campo de la producción industrial, agrícola y ganadera, pueden crear diferencias aún más grandes entre países ricos y pobres. El sondeo génico en personas puede llevar a consecuencias nefastas en la contratación laboral, por ejemplo, y atenta contra la intimidad a que tiene derecho toda persona (empleo, agencias de seguros, discriminación..). Problemas éticos y morales Poder conocer y modificar el patrimonio genético humano puede ser una puerta abierta al eugenismo "Eugenesia: la ciencia del incremento de la felicidad humana
  77. 77. DUDAS • ¿Si fuera posible, a usted le gustaría hacerse un test genético que le dijera las enfermedades que sufriría en su vida? • ¿Desearía saber si su hijo por nacer tiene defectos genéticos? • ¿Deberían los científicos patentar la vida? • ¿Los beneficios contrapesan los riesgos? • ¿Quién decide la utilización de órganos para donarlos? • Reemplazar genes defectuosos para sanar no es controversial, pero...¿introducir genes en gente saludable para ser más inteligente o transformarla en atleta, será ético?

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