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HERRAMIENTAS DE LA BIOTECNOLOGIA: La era de las ómicas

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Jose Contreras Rozo

on 21 May 2014

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Transcript of HERRAMIENTAS DE LA BIOTECNOLOGIA: La era de las ómicas

La expresión génica determina la producción de proteínas. Una célula puede producir miles de proteínas cada una con una función específica. La colección de proteínas producidas en una célula es conocida como proteoma.
Como los proteomas, los transcriptomas son muy variables, ya que muestran qué genes se están expresando en un momento dado.


Proteómica
Transcriptómica
HERRAMIENTAS DE LA BIOTECNOLOGIA:
La era de las ómicas
INGENIERIA BIOTECNOLOGICA
Genética molecular:
Jose Antonio Contreras Rozo 1610677
Christian David Vargas Tabares 1610736



El desarrollo de proyectos de secuenciación de ADN en los últimos años, como el Proyecto Genoma humano, ha llevado al desarrollo de nuevas técnicas en el campo de la biotecnología. Estas han permitido el estudio en profundidad de procesos celulares y moleculares, y el creciente entendimiento de los sistemas biológicos a nivel molecular.
Sin embargo, los organismos no operan como compartimentos moleculares aislados, obligándonos a ensamblar esas piezas moleculares en sistemas, logrando una visión global de los procesos biológicos.

ómica
El término ómica hace referencia a las técnicas de estudio en biología en cuya denominación se aplica el sufijo “oma” que significa “conjunto de”. Los campos de investigación de las “ómicas” unen descubrimientos científicos en biología molecular y celular con aplicaciones comerciales.

Genómica
Proteómica
Transcriptómica
Metabolómica
Las técnicas “ómicas” se basan en el análisis de un gran volumen de datos y, por lo tanto, se valen de la bioinformática y de técnicas rápidas y automatizadas de alto rendimiento para integrar la información
La genómica es el estudio científico de los genomas y del rol que tienen los genes en determinar la estructura, dirigir el crecimiento y desarrollo, y en controlar las funciones de los seres vivos.
proteómica es el estudio de la estructura, función, localización e interacción de las proteínas dentro y entre las células.
La transcriptómica estudia y compara transcriptomas que son los conjuntos de ARN mensajeros o transcritos presentes en una célula, tejido u organismo.
Genómica
Su trabajo comienza con la secuenciación del ADN
Esta información permite compararla con la de otros organismos, o generar la estructura tridimensional de las proteínas, y así tener algún indicio sobre sus funciones.
Luego esta secuencia es empleada para identificar qué fragmentos o zonas corresponden a genes y cuál es la función de cada gen.
Conocer estas secuencias provee informacion muy útil, debido a que los organismos comparten un código genético y pueden traducir la información genética de otros organismos en funciones biologicas.
Debido a esto cada gen descubierto en estos proyectos podría tener una aplicación extensa en la industria.
El primer organismo que tuvo su genoma secuenciado fue la bacteria Haemophilus influenzae (1995).
Más ''proyectos genoma''
Según el Centro Nacional para la Información de la Biotecnología (NCBI), hasta el 31 de diciembre de 2007 se habían completado las secuencias genómicas de 644 organismos
Algunas especies con su genoma totalmente secuenciado
cuestionamientos
¿cómo son los procesos de regulación de la expresión de los genes?
¿cómo se identifican las diferencias entre el genoma de individuos de una misma especie, y de qué manera las más sutiles alteraciones en cada una de estas operaciones podrían predisponer a cada individuo a una enfermedad?
La genómica estructural está orientada a la caracterización y localización de las secuencias que conforman el ADN de los genes, permitiendo de esta manera la obtención de mapas genéticos de los organismos.
La genómica funcional es la disciplina que se orienta hacia la recolección sistemática de información acerca de las funciones desempeñadas por los genes para, de esta manera, develar el comportamiento de los sistemas biológicos
TIPOS DE GENOMICAS
Las técnicas empleadas principalmente son:


electroforesis en geles bidimensionales
espectrometría de masa
micromatrices o microarreglos de proteínas
Tecnicas utilizadas
Las proteínas están construidas en una cadena lineal, los aminoácidos son eslabones complejos que hacen que la cadena se pliegue en formas complejas e intrincadas. Esos formatos son esenciales para la función de cada proteína.
La secuencia de aminoácidos puede afectar la forma que adoptan las proteínas, pero aún falta comprender todas las reglas que gobiernan el proceso de plegamiento. Esto significa que la forma de la proteína o la función generalmente no pueden ser predichas a partir de la secuencia de aminoácidos.
Por otra parte, las proteínas sufren modificaciones posteriores a su construcción llamadas modificaciones post-traduccionales. Esto afecta tanto la forma como la función de una proteína.
Las proteínas son más diversas que los genes que las determinan, ya que un solo gen puede codificar diferentes versiones de una proteína, cada una con una función diferente.
El proteoma no sólo difiere de célula en célula, sino que también cambia según las interacciones bioquímicas con el genoma y el ambiente.
El proteoma varía de un tipo de célula a otra, de un año a otro, de un momento a otro.
Por ejemplo, el genoma humano tiene unos 25.000 genes, y su expresión genera al menos unas 500.000 proteínas diferentes, debido a mecanismos como el splicing alternativo y a modificaciones post-traduccionales.
Aspectos a tener en cuenta:
Lo que se busca usando la Proteómica:
Catalogar todas las proteínas producidas por diferentes tipos celulares

Determinar cómo la edad, el medio ambiente y las enfermedades afectan las proteínas producidas por las células
Descubrir las funciones de estas proteínas
Trazar el progreso de un proceso biológico
Por ejemplo:
conocer los pasos en el proceso para una infección
la respuesta bioquímica de un cultivo al daño provocado por un insecto midiendo cambios en la producción de proteínas
descubrir cómo una proteína interactúa con otras proteínas dentro de la célula y fuera de la célula
Además de ayudar a entender la complejidad de los procesos celulares y las respuestas fisiológicas de las células y organismos a su entorno, la proteómica será crucial para el desarrollo de mejores métodos de diagnóstico y tratamiento
Ejemplo:
Puede ayudar a descubrir proteínas que funcionen como “marcadores” para determinadas enfermedades, como lo es la beta-secretasa para la Enfermedad de Alzheimer, y la interleukina-6, interleukina-8, proteína amieloide A, fibrinógeno, y troponinas para la enfermedad cardiovascular.
La transcriptómica se vale de la bioinformática y las micromatrices (o microarreglos, microarray en inglés)
La idea básica de las micromatrices es construir, sobre una membrana o lámina de vidrio, arreglos de muestras que contienen fragmentos de ADN. Por otro lado se marca el ARN o el ADN copia (cDNA) de una población celular con fluorescencia o radioactividad, y se usa esta preparación para hibridar con el ADN de la micromatriz.


Generalmente se hibrida simultáneamente la misma micromatriz con una muestra de ARN o ADN copia de referencia, para facilitar la comparación. La siguiente figura muestra un ejemplo de hibridación de micromatrices.
Son particularmente interesantes para los científicos los transcriptomas de las células cancerosas y de las células madre ya que pueden ayudar a entender los complicados procesos de carcinogénesis y de desarrollo y diferenciación celular.
Aspectos a tener en cuenta:


Permite analizar decenas de miles de datos simultáneamente.


Miles de moléculas de ADN, proteínas, tejidos o células pueden ser analizadas en un solo chip (micromatriz, microarray)



La tecnología de micromatrices ha transformado la investigación científica porque:
Es una pequeña superficie de vidrio que lleva un arreglo (patrón) microscópico de puntos que indican cada molécula que está siendo estudiada.
Chip
La tecnología de micromatrices de ADN por ejemplo trabaja explotando la habilidad de una molécula de ARNm de unirse específicamente, o de hibridarse al ADN molde del cual se ha originado. Usando un arreglo conteniendo muchas muestras de ADN, los científicos pueden determinar en un solo experimento los niveles de expresión de cientos o miles de genes dentro de una célula midiendo la cantidad de ARNm unido a cada sitio del arreglo. Con ayuda de una computadora, la cantidad de ARNm unido a los puntos del arreglo es precisamente calculada generando un perfil de la expresión génica en una célula

Metabolómica
La metabolómica es el estudio y comparación de los metabolomas que es la colección de todos los metabolitos (moléculas de bajo peso molecular) presentes en una célula, tejido u organismo en un momento dado.
Metabolitos intermediarios del metabolismo
Hormonas
Moléculas de señalización
Metabolitos secundarios
Metabolito
En 2007, los científicos lograron completar el primer borrador del metaboloma humano. Catalogaron y caracterizaron a unos 2.500 metabolitos, unas 1.200 drogas y unos 3.500 componentes alimenticios que pueden encontrarse en el cuerpo humano
El metaboloma es muy dinámico, cambia ante la menor señal física o química, y debido a que son muchos los tipos de metabolitos que puede haber en una célula, también son varios los métodos que se emplean en el análisis. Para estudiar el metaboloma se necesita primero separar los metabolitos, y luego detectarlos.
Metaboloma
Cromatografía en fase gaseosa
Cromatografía líquida de alto rendimiento (o HPLC)
Electroforesis con capilares.
Tecnicas para separar los metabolitos:
Tecnicas para la detección de metabolitos:
La espectrometría de masa
La espectroscopía de resonancia magnética nuclear
La metabolómica cataloga y cuantifica a las moléculas pequeñas que se encuentran en los sistemas biológicos.
La metabonómica estudia cómo cambian los perfiles metabólicos como respuesta a estreses, tales como enfermedades, tóxicos o cambios en la dieta.
Aplicaciones:
Esto podría aplicarse a estudios toxicológicos, ya que se podría estudiar el metaboloma de la orina y otros fluidos corporales para detectar cambios fisiológicos causados por la exposición a un posible tóxico.
Como parte de la genómica funcional, la metabolómica puede ser una herramienta para estudiar la función de los genes, a través de la mutación, deleción o inserción de los mismos
En la nutrigenómica, que relaciona a las “ómicas” con la nutrición humana, la metabolómica podría servir para correlacionar los perfiles de metabolitos de fluidos y órganos con patologías, constitución genética y dietas
Seguridad alimentaria de nuevos cultivos transgénicos.

La genómica, proteómica y metabolómica constituyen las principales herramientas usadas por los expertos en todo el mundo en bioseguridad y análisis de riesgo para concluir sobre la inocuidad alimentaria de estos nuevos cultivos y sus derivados.
Biología de sistemas y Bioinformática
Los avances de la biología molecular acoplados a las tecnologías genómicas han llevado a un crecimiento en la generación de información biológica.

La biología de sistemas es la rama de la biología que busca usar la información biológica para crear modelos matemáticos predictivos de los procesos celulares, rutas bioquímicas y esclarecer la complejidad de las interacciones en los sistemas biológicos. Esto es posible con biosimulaciones computarizadas.
Bioinformática resulta esencial en cada paso del descubrimiento, desarrollo y comercialización de un producto
La bioinformática como campo de la ciencia en la que la biología, la computación y la tecnología de la información se unen en una sola disciplina.
Aplicar el conocimiento en el desarrollo de productos
INTRODUCCIÓN
La bioinformática usa las herramientas computaciones de la tecnología de la información como software, simulación gráfica, algoritmos (fórmulas matemáticas) y gestión de base de datos para juntar, almacenar, acceder, visualizar, integrar, análisis y modelado. Estas últimas acciones constituyen lo comúnmente llamado “biología computacional”.
El entendimiento de las bases moleculares de los procesos biológicos permite que muchos productos sean testeados a nivel celular, ahorrando costos y tiempos, y permitiendo el lanzamiento de mejores productos. Por ejemplo:

Las compañías agrobiotecnológicas que desarrollan plantas resistentes a insectos pueden medir la cantidad de proteína insecticida expresada por una célula de la planta sin la necesidad de tener que llegar a tener las plantas maduras para poder realizar las mediciones.

Llas compañías farmacéuticas pueden usar cultivos de células y la tecnología de micromatrices para testear la seguridad y eficacia de una droga y observar efectos adversos en una etapa temprana del desarrollo de la droga.

Mediante la modificación genética de animales para producir proteínas terapéuticas

Desarrollar modelos animales para el estudio de enfermedades humanas, es posible aprender más acerca de los efectos in vivo de drogas candidatas antes de entrar en la etapa de ensayos clínicos. Estas tecnologías pueden ayudar a las compañías a identificar la mejor composición de una droga en menos tiempo.


01000111= G
01010010 = R
01000001 = A
01000011 = C
01001001 = I
01000001 = A
01010011 = S

''Es como un viaje de descubrimiento hacia tierras desconocidas, buscando no para el nuevo territorio, sino de nuevos conocimientos. Se debería hacer un llamamiento a los que tienen un buen sentido de la aventura''.
Frederick Sanger: (1918-2013), Ganador de dos premios nobel de química:

En 1958, por sus investigaciones sobre la insulina, y en 1980 por sus contribuciones a la determinación de las secuencias de base de los ácidos nucleicos.
Ayuda a hacer predicciones acercade la función.
Facilita la manipulación
Dos métodos
Método químico: Maxay Gilbert, 1977
Terminar en un nucleótido conocido
Marcar el extremo 5' radioactivamente
corta los enlaces, sitio básico y enlace fosfodiester
Secuenciación
Método enzimático: Sanger, 1980
4 tratamientos químicos que cortan cada unas de las bases nitrogenadas
Guanina
Citosina
Purinas (G y A)
Pirimidinas (C y T)

El ADN molde o segmento de ADN que se desea secuenciar.
ADN Polimerasa I del bacteriofago T4
Un cebador o "primer" que suele ser un oligonucleótido corto
Nucleótidos libres
nucleótidos didesoxi
Método químico vs método enzimático
uso de reactivos químicos para romper zonas especificas de la cadena

uso de reactivos altamente tóxicos y grandes cadenas de ADN marcadas radioactivamente

Conlleva a la degradación del ADN

Muy complejo

Utiliza ADN directamente
usa la enzima DNA polimerasa

Pocos reactivos tóxicos y menor radioactividad

se conserva el ADN

Método más fácil

Requiere de la clonación del ADN
ELECTROFORESIS BIDIMENSIONA (2D):
SDS-PAGE
Un gradiente de pH se establece en un gel antes de colocar la muestra. (A) La muestra se carga y se aplica voltaje. Las proteínas migrarán a su pH isoeléctrico, la ubicación en la que no tienen carga neta. (B) Las proteínas forman bandas que pueden ser extirpados y utilizados para experimentación adicional.
Espectrometría de masas (MS)
(1) La muestra de proteína, incrustado en una matriz apropiada, es ionizado por la aplicación de un rayo láser.
(2) Un campo eléctrico acelera los iones formados a través del tubo de vuelo hacia el detector.
(3) Los iones más ligeros llegan primero.
(4) El pulso de láser ionizante también activa un reloj que mide el tiempo de vuelo (TOF) para los iones
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