APLICANDO LA BIOTECNOLOGÍA EN BIOLOGÍA DE 1º DE BACHILLERATO

El aire que respiramos en el instituto, en casa o en el patio no es solamente nitrógeno, oxígeno, vapor de agua y otros gases en proporciones inferiores a un 1%, cada vez que aspiramos entran en nuestro cuerpo microorganismos, a los que afortunadamente nuestro cuerpo está acostumbrado a tratar.

Los alumnos de 1º de bachillerato del IES López Neyra en colaboración con personal del Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC (al que estamos enormemente agradecidos) hemos querido “jugar” a ser miembros del CSI: Investigación Criminal, solo que en vez de asesinos nosotros buscamos microorganismos que sin ser invitados han invadido nuestras casas.
La primera fase de la investigación consistió en poner a estos individuos una trampa infalible, una placa Petri con base de agar enriquecido que quedó expuesta al aire de nuestra casa durante 24 horas, tras lo cual fue cerrada y sellada. Después nos tocó esperar, no mucho, a las pocas horas nuestros amigos fueron apareciendo y formando colonias cada vez más grandes.


La segunda fase fue fácil, cada uno de nosotros contó sus colonias, eligió la que más le gustó (por color, cantidad, forma....) y la volvimos a cultivar ella solita.
Ahora empieza lo bueno, debemos ser capaces de separar suavemente el ADN de sustancias no deseadas que se encuentran en las células, evitando que el ADN se desnaturalize ( se rompa), para ello preparamos una solución con sal, agua destilada y detergente, además de las células de nuestros amigos. El detergente romperá la membrana celular disolviendo los lípidos (moléculas grasas) y las proteínas de la célula y romperá las uniones que mantienen la estructura de la membrana celular. El detergente formará luego complejos con estos lípidos y proteínas, permitiendo su eliminación de la solución por filtración. El ADN celular quedará en el líquido que no se retiene en el filtro.

¿Qué hacemos ahora? Tenemos el ADN, pero para secuenciarlo necesitamos una cantidad mucho mayor, necesitamos algo o alguien que multiplique nuestras cadenas, ese algo es la Taq polimerasa una enzima que amplificará nuestras secuencias de ADN de forma exponencial mediante una técnica llamada PCR reacción en cadena de la polimerasa), ésta se desarrolla en un aparatito llamado termociclador, y después de pasar por él nuestra secuencia de ADN se habrá multiplicado millones de veces.

Ya tenemos el ADN, todo juntito, ahora necesitamos separarlo por secuencias, para ello realizamos una electroforeris en gel (se expone el ADN a una corriente eléctrica y cada fragmento viajará a través del medio a una velocidad diferente)
Los instrumentos modernos automáticos de secuenciación del ADN (secuenciadores de ADN) pueden secuenciar más de 384 muestras marcadas por fluorescencia de una sola vez y llevar a cabo los datos resultantes se dan como cromatogramas que registran los picos de fluorescencia, tal y como aparece en la imagen.

Ya solo nos queda una cosa por hacer, identificar las cepas mediante la comparación de los perfiles genotípicos obtenidos con una base de datos, y Vualá o mejor dicho Voilá, aquí os tenemos.

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bacterias

Aunque el término bacteria incluía tradicionalmente a todos los procariotas, ya sabemos que actualmente la taxonomía y la nomenclatura científica los divide en dos dominios, Archaea y Bacteria.

DOMINIO ARCHAEA

Son microorganismos unicelulares. Al igual que las bacterias, carecen de núcleo y son por tanto procariotas, no tienen membranas internas que delimiten orgánulos y como todos los organismos presentan ribosomas.

Su célula tiene las mismas estructuras que el resto de los organismos pero se construye con compuestos químicos diferentes. Debido a estas diferencias, las arqueas exhiben una alta resistencia contra los antibióticos y los agentes líticos.

Pueden ser individuales o coloniales, los individuales tienen un diámetro comprendido entre 0,1 y 15 μm, mientras que algunos agregados o filamentos celulares llegan a tener una longitud de hasta 200 μm. Presentan diversas formas: esférica, cilíndrica, espiral, lobular, triangular, rectangular, irregular, etc. Recientemente, se ha descubierto (en piscinas hipersalinas) una especie de forma cuadrada y plana. Algunas arqueas tienen flagelos y son móviles.

Las principales características que diferencia este dominio de las bacterias son:

Una pared celular sin peptidoglicanos (mureina) por lo que son resistentes a la lisozima.

Una membrana plasmática con lípidos distintos tanto a bacterias como a eucariotas.

Una secuencia única en el ARNr 16S.

Una gran capacidad de adaptación a ambientes extremófilos, esta característica nos sirve para establecer una clasificación:

• Halófilos. Viven en ambientes extremadamente salinos. Halococcus y Halobacterium solo viven en medios con más del 12% de sal y pueden sobrevivir a concentraciones del 32% de sal.

• Termo-acidófilos. Necesitan temperaturas de más de 60-80 °C, y algunas especies también un pH bajo, de 1-3. Sulfolobus acidocaldarius oxida el azufre y vive en las fuentes termales del parque Yellowstone. Thermoplasma se encuentra en escombreras de carbón encendidas. Pyrolobus fumarii es el organismo más termófilo de todos los conocidos con una temperatura máxima de crecimiento de 113 °C. El organismo más acidófilo, Picrophilus, puede crecer a un pH de -0,06.

• Metanógenos. Viven en ambientes anaeróbicos y producen metano. Se pueden encontrar en sedimentos o en los intestinos de animales.Se han encontrado metanógenos vivos en muestras de hielo glaciar de Groenlandia tomadas a 3 km de profundidad.

Las arqueas pueden ser aerobias, anaerobias facultativas o anaerobias estrictas, autótrofas o heterótrofas. Varias especies son productores primarios usando el dióxido de carbono como fuente única de carbono y obteniendo energía por la oxidación de sustancias inorgánicas tales como azufre o hidrógeno, o por la reducción de azufre o nitrato. No se conocen especies que fijen carbono a través de la fotosíntesis.

Pueden reproducirse por fisión binaria o múltiple, fragmentación o gemación.

DOMINIO BACTERIA

Características

Microorganismos unicelulares sin membrana nuclear, dentro de la membrana citoplasmática encontramos un nucleoide, plásmidos vacuolas y ribosomas.

Pared celular con peptidoglicanos, membrana lipídica y entre ambos un espacio, el periplasma, algunos presentan después de la pared celular una cápsula.

Muchos móviles (cilios y flagelos).

Muchas forman endosporas, estructuras durmientes que les ayudan a sobrevivir en condiciones ambientales adversas.

Las bacterias son los organismos más abundantes del planeta. Son ubicuas, encontrándose en todo hábitat de la tierra, algunas bacterias pueden incluso sobrevivir en las condiciones extremas del espacio exterior. Se estima que hay en torno a 40 millones de células bacterianas en un gramo de tierra y un millón de células bacterianas en un mililitro de agua dulce. En total, se calcula que hay aproximadamente 5×1030 bacterias en el mundo.

Las bacterias son imprescindibles para el reciclaje de los elementos, pues muchos pasos importantes de los ciclos biogeoquímicos dependen de éstas. Como ejemplo cabe citar la fijación del nitrógeno atmosférico. Sin embargo, solamente la mitad de los filos conocidos de bacterias tienen especies que se pueden cultivar en el laboratorio, por lo que una gran parte (se supone que cerca del 90%) de las especies de bacterias existentes todavía no ha sido descrita.

En el cuerpo humano hay aproximadamente diez veces tantas células bacterianas como células humanas, con una gran cantidad de bacterias en la piel y en el tracto digestivo.Aunque el efecto protector del sistema inmune hace que la gran mayoría de estas bacterias sea inofensiva o beneficiosa, algunas bacterias patógenas pueden causar enfermedades infecciosas, incluyendo cólera, sífilis, lepra, tifus, difteria, escarlatina, etc. Las enfermedades bacterianas mortales más comunes son las infecciones respiratorias, con una mortalidad sólo para la tuberculosis de cerca de dos millones de personas al año.

En todo el mundo se utilizan antibióticos para tratar las infecciones bacterianas. Los antibióticos son efectivos contra las bacterias ya que inhiben la formación de la pared celular o detienen otros procesos de su ciclo de vida. También se usan extensamente en la agricultura y la ganadería en ausencia de enfermedad, lo que ocasiona que se esté generalizando la resistencia de las bacterias a los antibióticos. En la industria, las bacterias son importantes en procesos tales como el tratamiento de aguas residuales, en la producción de queso, yogur, mantequilla, vinagre, etc., y en la fabricación de medicamentos y de otros productos químicos.

Presentan gran variedad de metabolismos:

En cuanto a la obtención del carbono pueden ser autótrofas o heterótrofas.

En cuanto al la obtención de la energía ésta la obtienen por foto o quimiosíntesis.

Se reproducen por bipartición, gemación o esporulación y pueden intercambia material genético mediante “parasexualidad bacteriana” , intercambio de plásmidos.

meiosis

La meiosis es un mecanismo de división celular que permite la obtención a partir de células diploides (2n) de células haploides (n) con diferentes combinaciones de genes. La meiosis no es un tipo de división celular diferente de la mitosis o una alternativa a ésta. La meiosis tiene objetivos diferentes. Uno de estos objetivos es la reducción del número de cromosomas. Otro de sus objetivos es el de establecer reestructuraciones en los cromosomas homólogos mediante intercambios de material genético. Por lo tanto, la meiosis no es una simple división celular. La meiosis está directamente relacionada con la sexualidad y tiene, un profundo sentido para la supervivencia y evolución de las especies.

La meiosis consta de dos divisiones sucesivas de la célula con una única replicación del ADN. El producto final son cuatro células con n cromosomas.

DIVISIÓN I

PROFASE I

En esta fase suceden los acontecimientos más característicos de la meiosis. La envoltura nuclear se conserva hasta el final de la fase que es cuando se desintegra, al mismo tiempo desaparece el nucleolo y se forma el huso.

Dada su duración y complejidad se subdivide en cinco etapas: leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis.

Leptoteno: Los cromosomas aparecen como largos filamentos que de trecho en trecho presentan unos gránulos: los cromómeros. Cada cromosoma ya está constituido por dos cromátidas, pero aún no se observan bien diferenciadas al microscopio óptico, y se encuentran unidos en diversos puntos a la envoltura nuclear.

Zigoteno: En esta etapa los cromosomas homólogos se aparean punto por punto en toda su longitud. Este apareamiento puede comenzar bien por el centro o por los extremos y continuar a todo lo largo. Cuando los homólogos se aparean cada gen queda yuxtapuesto con su homólogo.

Paquiteno: Los pares de cromosomas homólogos aparecen íntimamente unidos: bivalentes

Se puede ya observar que cada cromosoma tiene sus dos cromátidas. Mientras están estrechamente unidos tienen lugar roturas entre cromátidas próximas de cromosomas homólogos que intercambian material cromosómico. Este intercambio se llama entrecruzamiento o sobrecruzamiento (crossing-over) y supone una redistribución cromosómica del material genético. Aunque los sobrecruzamientos se producen en esta fase no aún visibles y se apreciarán más tarde en forma de quiasmas.

Diploteno: Los bivalentes inician su separación, aunque se mantienen unidos por los puntos donde tuvo lugar el sobrecruzamiento, estas uniones reciben ahora el nombre de quiasmas y permiten ver los puntos en los que hubo sobrecruzamientos. En cada par de cromosomas homólogos pueden persistir uno o varios quiasmas, todo depende de cuántos sobrecruzamientos hayan tenido lugar a lo largo del bivalente.

Diacinesis: Las cromátidas aparecen muy condensadas preparándose para la metafase. La separación entre bivalentes persiste y permanecen los quiasmas. Al final de la profase la envoltura nuclear ha desaparecido totalmente y ya se ha formado el huso acromático.

METAFASE I

Los bivalentes se disponen sobre el ecuador del huso, pero lo hacen de tal forma que los dos cinetocoros que tiene cada homólogo se orientan hacia el mismo polo, que es el opuesto hacia el que se orientan los dos cinetocoros del otro homólogo.

ANAFASE I

Los cromosomas sólo presentan un centrómero para las dos cromátidas. Debido a esto, se separan a polos opuesto cromosomas completos con sus dos cromátidas. No se separan 2n cromátidas, sino n cromosomas dobles. Esta disyunción o separación de los cromosomas da lugar a una reducción cromosómica. Como consecuencia, desaparecen los quiasmas.

La distribución al azar de los cromosomas es una de las fuentes de variabilidad, ya que pueden producirse como consecuencia de este proceso una gran cantidad de gametos (2n, siendo n el número haploide).

TELOFASE I

Es una telofase normal pero que da lugar a dos células hijas cuyos núcleos tienen cada uno n cromosomas con dos cromátidas.

INTERFASE

Puede ser variable en su duración, incluso puede faltar por completo de manera que tras la telofase I se inicia sin interrupción la segunda división. En cualquier caso, nunca hay síntesis de ADN; es decir, es una interfase sin periodo S.

DIVISIÓN II

Es una mitosis normal en la que las dos células anteriores separan en la anafase II las cromátidas de sus n cromosomas. Surgen así 4 células con n cromátidas cada una.

partenogénesis

La partenogénesis es, en general, el tipo de reproducción unisexual en el que las hembras originan descendencia sin fecundación por los machos. En la mayoría de las especies, los óvulos no fecundados que envejecen in vivo o in vitro no se activan espontáneamente. La activación de un óvulo se distingue de un cigoto principalmente en que carece de la dotación genética con la impronta paterna.
Un buen ejemplo de la partenogénesis natural es la que se produce en los insectos, principalmente en los himenópteros, como las hormigas y las abejas. En estas especies, el huevo se desarrolla haya sido o no fecundado. Si se desarrolla partenogenéticamente, da nacimiento exclusivamente a individuos haploides que son entonces machos; si es fecundado, nacen hembras (diploides), estas pueden convertirse en obreras o reinas. Las obreras son hembras más pequeñas que la reina y sus aparatos reproductores se encuentran atrofiados (no son funcionales), sólo en algunos casos de orfandad, las obreras ponen huevos (que no están fecundados) de los que saldrán zánganos de tamaño más pequeño que los puestos por la reina. La reina es la única hembra fértil, que pone huevos fecundados que dan origen a abejas obreras infértiles y pone huevos no fecundados que dan origen a zánganos fértiles por partenogénesis.
La partenogénesis puede ser:
Partenogénesis ameiótica o diploide: no existe meiosis y el huevo se forma por mitosis y por tanto es diploide. Puede considerarse como reproducción asexual, al no existir células haploides. Este tipo se conoce en algunos platelmintos, rotíferos, crustáceos, insectos y anfibios.
Partenogénesis meiótica o haploide: se forma un óvulo haploide por meiosis que se desarrolla sin ser fecundado. Se da en algunos platelmintos, rotíferos, anélidos, insectos (abejas, avispas, insectos palo y hormigas), peces, anfibios y reptiles. Aunque no existe singamia, se produce meiosis, y por tanto recombinación, por lo que se puede considerar un medio de reproducción sexual.

Mitosis

En un ciclo celular corriente vamos a encontrar fase G1, S, G2 y M.
En la fase G1 la célula acaba de salir de una división y contiene la mitad del material genético, por lo que, en esta fase, la célula se prepara para duplicar su contenido de ADN. Esto no significa que los 46 cromosomas del juego diploide 2n=46 se haya reducido a 23, ni mucho menos. Se continúan teniendo los 46 cromosomas, pero éstos, en lugar de dos cromátidas, como tendrían en la célula progenitora, ahora poseen una sola cromátida. Son cromosomas simples, sin un material genético replicado o copiado.
Este es uno de los efectos de la Mitosis, pero continuemos citando fases.
La fase que sigue a G1 es la fase S, en la cual la célula comienza a replicar su material genético, es de las fases más largas del ciclo celular.
Una vez replicado el material genético en la fase S, se pasa a la fase G2, en la que la célula se abastece de nutrientes y reservas y se prepar para la división celular o fase M = Mitosis!!
Por cierto, los cromosomas ya presentan dos cromátidas.
Mitosis
Una vez la célula ha completado las fases anteriores: G1, S y G2 y posee su material genético perfectamente copiado, entra en fase M o Mitosis.
Dentro de la mitosis ocurren varios fenómenos que se dividen en varias etapas: Profase, Prometafase, Metafase, Anafase, Telofase y Citocinesis.Profase.
Con la Profase se inicia el proceso de división, empezando por empaquetar o condensar el material genético, en forma de cromatina (ADN en forma de hilillos dispersos por el núcleo), en cromosomas. Los cromosomas condensados, con su característica forma de X, presentan sus dos cromátidas hermanas unidas por un punto central: el centrómero.
Los centriolos de la célula migran a cada polo celular, organizando una red de microtúbulos conocida como huso mitótico. Estos microtúbulos se anclarán a los centrómeros de los cromosomas ya condensados.
Por otro lado, la envuelta nuclear se desorganiza y quedan los cromosomas suspendidos en el citoplasma celular, unidos al huso mitótico por el centrómero.
Metafase.
En la Metafase se mantienen los cromosomas en el plano ecuatorial, formando lo que se conoce como placa metafásica, y se rompe la unión entre las cromátidas hermanas en el centrómero cromosómico, dejando paso así a la siguiente fase.
Anafase.
Aquí ocurre algo muy importante, y es la separación de cromátidas hermanas que son llevadas a cada polo de la célula. Los microtúbulos del huso mitótico, que están unidos a los centrómeros de los cromosomas, se acortan consiguiendo "tirar" de cada cromátida al polo celular correspondiente, gracias a que en metafase se había roto la unión entre cromátidas hermanas del mismo cromosoma a nivel del centrómero.
Telofase.
En Telofase nos encontramos con que las cromátidas hermanas han sido llevadas a cada polo celular. Ya tenemos la dotación cromosómica completa de una célula hija, ahora solo falta aislar estos nuevos cromosomas en su envuelta nuclear correspondiente, que es lo que ocurre en Telofase. Una vez rodeados de la envuelta nuclear, los cromosomas se empiezan a descondensar en forma de cromatina. Ya solo falta que ocurra la división del citoplasma o citocinesis.

Celulas gliales y sinapsis

Las células gliales o neuroglia son un grupo de células del tejido nervioso que principalmente proporcionan soporte a las neuronas. Son de tres tipos: Astrocitos, microglía y células de Schwanm.
Los astrocitos conectan las neuronas con los capilares sanguíneos nutriendo y proporcionando protección a la neurona. Las microglías se multiplican en la enfermedad y destruyen los microbios que pueden penetrar en el sistema nervioso y por último las células de Schwanm que poseen un citoplasma alargado y enrollado alrededor del axón, este citoplasma contiene mielina que hace que el axón tenga mayor grosor y que la información se propague con mayor rapidez.
Las neuronas no están unidad unas con otras, formando redes continuas, sino que existe un espacio entre ellas que el impulso nervioso debe atravesar para pasar de una a otra. Este espacio se denomina sinapsis. Una sinapsis está formada por tres elementos, la neurona presináptica, el espacio sináptico y la neurona postsináptica. La neurona presináptica libera unas sustancias químicas denominadas neurotransmisores, cuando estos llegan llegan a la membrana de la neurona postsináptica provocan en esta ciertos cambios químicos que permiten que el impulso nervioso siga propagandose.
Por este descubrimiento Don Santiago Ramón y Cajal recibió el premio Nobel en Fisiología y Medicina en el año 1906.