In. genética hipatia

Ingeniería genética

C.E.M HIPATIA. Biología 2º bachillerato

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Biología 2º Bachillerato. Profesor: Angel Madrid Rangel

UNIDAD 20. INGENIERÍA GENÉTICA 1. CONCEPTO DE INGENIERÍA GENÉTICA

La utilización de organismso vivos o de sus componentes en la obtención de productos útiles para las persona es la base de la biotecnología. El plan, el yogur, el vino, la cerveza, etc., son productos fabricados desde la más remota antigüedad, utilizando

técnicas de biotecnología. El paso de la biotecnología tradicional a la biotecnología moderna surge en la década

de 1970 con el desarrollo de la ingeniería genética. Podemos decir que la ingeniería genética es una modalidad de la biotecnología. La ingeniería genética difiere de la biotecnología tradicional en que permite a los

científicos manipular genes, pudiendo modificarlos e incluso introducirlos en otro organismo distinto

La ingeniería genética o tecnología del ADN recombinante consiste en la manipulación del ADN de un organismo para conseguir un objetivo práctico.

En la actualidad, esta tecnología permite conocer la secuencia de nucleótidos, cortar y

empalmar ADN de distintos seres vivos, e incluso fabricar ADN artificial. Esta tecnología se lleva a cabo mediante la transferencia de uno o más genes de un

organismo a otro, que puede pertenecer a la misma especie o a otras distintas. Se denomina organismo transgénico a aquel cuyo genoma ha sido modificado con

genes procedentes de otros organismos. El ADN sintetizado de manera artificial mediante la unión de ADN de orígenes

diferentes, se denomina ADN recombinante. (por ejemplo, la integración de ADN vírico en el ADN celular)

2. HERRAMIENTAS EN INGENIERÍA GENÉTICA

Para que se pueda realizar la manipulación de genes son necesarias varias “herramientas”: Enzimas de restricción (o endonucleasas de restricción). Proteínas

bacterianas que cortan el ADN en puntos concretos y así separar los segmentos que interesan. Actúan como “tijeras moleculares” que cortan el ADN en lugares

específicos. Estas enzimas se aislaron en bacterias y se identifican con distintos nombres, siendo lo característico de ellas estos dos principios:

Cada enzima de restricción reconoce una secuencia específica de nucleótidos y

corta en ese punto cada una de las cadenas de ADN.

Los extremos libres que quedan se llaman extremos cohesivos o pegajosos,

porque pueden unirse a otros fragmentos de ADN que hayan sido cortados por la misma enzima de restricción.

Se nombran según el nombre del microorganismo del que se extraen, por ejemplo

EcRI se extrae de una cepa de Escherichia coli, mientras que Haelll se extrae de Haemophilus influenzae.



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Vector de transferencia. Agente que transfiere un segmento de ADN de un organismo a otro. Los más utilizados son los plásmidos, pequeñas moléculas de

ADN circular que se encuentran en las bacterias (puede haber varios ejemplares de plásmidos en una bacteria, de 20 a 50). Los plásmidos no forman parte del

cromosoma bacteriano, y tienen capacidad para replicarse independientemente, ya que tienen su propio origen de replicación. Además, muchos plásmidos llevan genes que les confiere resistencia a antibióticos (como la ampicilina o la tetraciclina).

También se pueden utilizar como vectores determinados virus bacteriófagos (virus que infectan bacterias, como el bacteriófago λ) y los cósmidos (son vectores

híbridos entre el fago λ y un plásmido, de modo que su ADN puede replicarse en una célula como un plásmido o empaquetarse como un fago).

ADN ligasas. Enzimas encargadas de unir fragmentos de ADN de distinta

procedencia y originar un ADN “hibrido” o ADN recombinante (molécula que resulta de la unión del gen escogido, foráneo, y el vector).

3. CÓMO SE LLEVA A CABO UN PROYECTO DE INGENIERÍA GENÉTICA

El proceso se desarrolla en una serie de etapas, que se pueden resumir en:

1. Localización y aislamiento del gen que se desea transferir. Para ello se utilizan las enzimas de restricción, que cortan el ADN en pequeños fragmentos, entre los que se encuentra el gen que se quiere transferir. Por ejemplo, el proceso

se inicia con el aislamiento del gen que se desea transferir (por ejemplo, un gen de una célula humana, célula donadora, que produce insulina). Las enzimas de

restricción cortan el ADN de la célula donadora en pequeños fragmentos entre los

En los siguientes dibujos puede verse como actuarían estas enzimas.

En este esquema se indica el lugar en el que corta la enzima de restricción. Se aprecia la actuación en

ambas hebras.

En este esquema se ve el resultado de la actuación de la enzima de restricción.

Ha quedado rota la molécula de ADN, quedando unos bordes pegajosos por donde puede unirse este ADN, con otro aunque sea de una especie diferente.

1. En la siguiente animación puede verse "en vivo" la actuación de las enzimas de



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que se encuentra el gen que se desea transferir (en nuestro ejemplo el de la insulina).

2. Selección del vector. Su elección dependerá de las características y del tamaño

del ADN elegido. Se tiene que cortar con las mismas enzimas de restricción con las que se cortó el ADN a transferir. Siguiendo el ejemplo, utilizando las mismas

enzimas de restricción se cortan los plásmidos elegidos como vectores.

3. Unión del ADN elegido al ADN del vector. A través de las ADN ligasas, se une el fragmento de ADN aislado al ADN del vector, originado así una molécula de ADN

recombinante.

4. Inserción del vector con el gen transferido en la célula hospedadora. El

ADN recombinante se introduce en la célula hospedadora. En nuestro ejemplo se utiliza como célula hospedadora una bacteria (Escherichia coli).

Existen varios métodos para introducir el ADN recombinante en células vivas. Entre

ellos destacan:

- Transformación. Método utilizado en células procariotas. La célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el medio externo, las introduce en su

interior y las incorpora a su genoma mediante recombinación.

- Transducción. Este método consiste en introducir el ADN en la célula

hospedadora mediante un virus, utilizando como vector de clonación el genoma del virus.

5. Multiplicación del organismo transgénico. La célula hospedadora se divide

originando copias que portan el gen deseado. Para ello se aíslan las bacterias modificadas y se cultivan por separado para obtener clones. Cada clon de bacterias

contiene el gen foráneo repetido infinidad de veces. Para que el proyecto concluya

En esta secuencia de dibujos se puede ver como se realiza la inserción

de un gen en un plásmido.

En la figura a tenemos un gen (color rojo) que interesa insertar en un

plásmido (color turquesa).

En la figura b, vemos como una enzima de restricción ha cortado el gen

y el plásmido, quedando unos bordes cohesivos o pegajosos.

La unión del ADN que contiene el gen que se desea clonar con el vector

de clonación, se realiza por medio de otras enzimas, denominadas

ADN-ligasas, que unen ambos trozos de ADN. El resultado es una

molécula de ADN recombinante, ya que contiene fragmentos de ADN

de distinta procedencia.



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con éxito, no basta con que la célula haya incorporado el gen foráneo; además, este tiene que expresarse. Para ello, la célula debe ser capaz de fabricar la proteína deseada (en este caso, la insulina humana). Los clones así obtenidos

pueden utilizarse en la industria para fabricar esa proteína.

4. LA CLONACIÓN

Clonar un organismo, una célula o una molécula significa hacer una o varias copias idénticas al original.

Los individuos, células o moléculas clonadas son idénticas o casi idénticas al original.

CLONACIÓN DE GENES

Clonar un gen es hacer varias copias idénticas.

Las etapas para clonar un gen se pueden resumir en:

1. Aislamiento y obtención del gen. Para ello se corta el ADN cromosómico en puntos concretos, mediante enzimas de restricción.

2. Selección del vector de clonación adecuado (plásmidos, genoma de ciertos virus o cromosomas bacterianos artificiales).

3. Formación del ADN recombinante. El gen a clonar se une, mediante la ADN ligasa, al vector de clonación.

4. Inclusión del ADN recombinante en la célula hospedadora, para que esta pueda expresarse y así producir la proteína que codifica el gen clonado.

5. Comprobación de la expresión del gen clonado y selección de las

células hospedadoras que lo llevan. Cuando se introduce el vector con el gen en un cultivo de células, no todas ellas lo incorporan; por eso es necesario

seleccionar las que sí lo han hecho y, además, lo expresan.

Las células hospedadoras pueden ser:

Células bacterianas. El gen deseado, unido al vector se introduce en las

bacterias, y al multiplicarse estas se consigue un número muy elevado de copias de ese gen. Es la vía clásica de clonación.

Células eucariotas. El gen se une al vector de clonación apropiado y se introduce en células vegetales, animales o levaduras.

CLONACIÓN DE ANIMALES

El principio de la clonación está en la obtención de organismos idénticos genéticamente, y por tanto morfológica y fisiológicamente, como lo son dos gemelos

univitelinos. Esto ha sido el sueño de muchos ganaderos, que han deseado que todo su ganado tuviera las cualidades de algún ejemplar especialmente bueno.

Se pueden utilizar dos métodos para conseguir clones de animales:

1. Por DISGREGACIÓN DE CÉLULAS EMBRIONARIAS. Se basa en el mismo principio por el que nacen gemelos de forma natural. Se pueden separar las células de un embrión en diferentes estados de desarrollo, desde el estado de 2 células

hasta el estado de mórula. Cada célula separada puede funcionar como un zigoto que puede desarrollarse para dar un individuo completo.

2. Por TRANSFERENCIA NUCLEAR. Se toman células embrionarias en fase de mórula o blástula, obtenidas por disgregación, se cultivan in vitro,y después se transfieren a ovocitos a los que se les ha quitado el núcleo.



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Se provoca la fusión de las dos células animales de modo que el núcleo de la célula embrionaria quede en el interior del ovocito, pudiendo éste empezar a funcionar como un zigoto.

Así se han obtenido 470 embriones clónicos de terneros de un único embrión donante de células.

Cuanto más diferenciadas estén las células donantes de material genético, más

difícil es conseguir la reprogramación de dicho material genético para que pueda iniciar la diferenciación de la célula receptora. Actualmente es posible

obtener clones de células totalmente diferenciadas de un animal adulto que actúan como donantes de su material genético, como ocurrió en el caso de la famosa oveja Dolly.



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Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

La clonación del ADN en las células, fundamentalmente en bacterias como E. coli, es el mejor método de obtención de grandes cantidades de un determinado gen o de una

secuencia de ADN, sin embargo, esta técnica no sirve cuando se dispone de una muestra de ADN escasa, como la que procede por ejemplo de una gota de sangre. En estos casos se utiliza una técnica denominada PCR, reacción en cadena de la

polimerasa (Polymerase Chain Reaction).

La PCR permite duplicar un número ilimitado de veces un fragmento de ADN en un tubo de ensayo. Mediante esta técnica pueden generarse millones de moléculas

idénticas, a partir de una molécula de ADN. Esto se puede conseguir en unas horas. La reacción es muy sencilla, necesita: una muestra de ADN que se quiere amplificar, una pequeña secuencia de nucleótidos de cadena sencilla que hace las veces

de cebador, una fuente de calor, ADN polimerasa resistente al calor y una cantidad adecuada de nucleótidos para formar las nuevas hebras de ADN.

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 sirve de molde y 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. Estos ciclos se repiten hasta que se obtiene el en

número de copias deseado.

LA PCR es un proceso que se realiza automáticamente, y en poco tiempo se puede amplificar una molécula de ADN, y conseguir hasta 100 000 millones de copias. Cada

ciclo dura aproximadamente cinco minutos, y con 20 ciclos se puede obtener una cantidad de ADN útil.

Aplicaciones de la PCR

La PCR fue desarrollada en 1983 y ha tenido un gran impacto en la investigación biológica. El ADn que se amplifica puede proceder de diversas fuentes:

- Fragmentos de ADN antiguos. Por ejemplo se ha amplificado ADN de mamut lanudo congelado, que vivió hace 40 000 años, y de algunos fósiles para compararlos posteriormente con genes semejantes de organismos actuales y

realizar estudios evolutivos. El ADN también puede proceder de momias de antiguas civilizaciones y permite estudiar datos referentes, por ejemplo, a posibles enfermedades de tipo genético.

- ADN obtenido en la escena del crimen. Este ADN se recoge en cantidades muy pequeñas de sangre, tejido, pelo, semen… Es una técnica que se aplica en medicina forense con la finalidad de identificar al autor o autores de un delito, o

bien para realizar pruebas de paternidad.

- ADN de células embrionarias. Permite realizar un diagnóstico prenatal rápido

de trastornos genéticos.



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- ADN de genes virales. Se obtiene de células infectadas con virus difíciles de detectar como, por ejemplo, el VIH.

El ADN puede proceder de una muestra de tejido de un hospital, de una gota de

sangre o semen en la escena de un delito, o de un cerebro momificado.



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5. APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA

La ingeniería genética permite originar un ADN recombinante, que transferido a una célula en cultivo, expresará un determinado gen que originará una proteína útil. Esto

tiene una importante aplicación práctica ya que permite obtener con facilidad productos de gran relevancia para las personas. Entre las principales aplicaciones

destacan:

1. Medicina. Se utiliza para el diagnóstico de enfermedades, producción de medicamentos, en estudios forenses y en terapia génica.

Obtención de fármacos. Actualmente la biotecnología se utiliza frecuentemente en la industria farmacéutica para producir ciertas sustancias difíciles de obtener de manera natural. Para ello es necesario transferir genes

humanos a bacterias, con el fin de que estos organismos produzcan en grandes cantidades proteínas que son necesarias para la vida de muchas personas.

Entre las sustancias obtenidas destacan:

- La insulina. Necesaria para muchas personas que padecen diabetes. Fue la primera proteína obtenida por I. G

- Proteínas de coagulación del suero sanguíneo. Necesarias para personas que padecen hemofilia.

- Vacunas que estimulan las defensas contra determinados microorganismos.

Medicina forense. Los seres humanos somos, en un 99,9 % genéticamente

idénticos; por tanto, diferimos solo en un 0,1 %, lo que supone que en cada uno de nosotros existen unos 3 millones de nucleótidos ordenados de manera

diferente. Estas “pequeñas” diferencias no están distribuidas al azar, sino que se encuentran en regiones cromosómicas concretas y es posible utilizarlas como marcadores genéticos. La identificación de estas regiones permite utilizar

estas diferencias como una huella genética individual, que se usa en medicina forense para la identificación de restos humanos y en pruebas de paternidad.

Terapia génica. Consiste en el tratamiento de enfermedades humanas como la diabetes, la hemofilia o el parkinson producidas por una alteración genética.

Hasta hace poco tiempo la única forma de tratar estas enfermedades consistía en suministrar sustancias que actuaban sobre las consecuencias de la afección,

no sobre el origen. La terapia génica permite sustituir el gen defectuoso por un gen sano que produce con normalidad la proteína defectuosa o ausente responsable de la

enfermedad. De esta manera se consigue corregirla definitivamente. Actualmente la terapia génica se utiliza no solo para curar enfermedades

hereditarias, sino también para las adquiridas. En cualquiera de los dos casos la enfermedad debe estar provocada por un gen recesivo, quedando descartadas

las producidas por muchos genes o las producidas por alteraciones cromosómicas. La terapia génica se lleva a cabo en células somáticas y en células germinales .

Existe dos maneras de realizar la terapia génica:

In vivo. Se introduce directamente en el organismo del paciente el vector que contiene los genes deseados. Éstos actúan como fármacos al



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interaccionar con células específicas del cuerpo y transferirle su contenido genético

Ex vivo. Se extraen células del paciente con genes defectuosos y, en el

laboratorio a través de vectores se les transfieren los genes deseados. Finalmente las células transformadas se introducen de nuevo en el paciente.

La terapia génica se utilizó por primera vez en 1990 con los llamados “niños busbuja” que son niños afectados por una grave enfermedad, el síndrome de inmunodeficiencia combinada severa. Actualmente se están poniendo en

marcha numerosas investigaciones para aplicar la terapia génica en muchas enfermedades, entre ellas: cáncer (supresión de tumores), Alzheimer y

Parkinsosn y diabetes.

2. Agricultura. Sirve para conseguir plantas resistentes a determinados herbicidas,

para mejorar el contenido nutritivo de algunos alimentos (por ejemplo el arroz trasgénico que produce granos de arroz amarillo por llevar beta-caroteno que nuestro organismo utiliza para sintetizar vitamina A), o bien se utilizan plantas

transgénicas como “fábricas” de medicamentos.

3. Ganadería. Se aplica, fundamentalmente, para la mejora del rendimiento de

explotaciones ganaderas, pero también se obtienen animales trasngénicos para utilizar sus órganos en los xenotrasplantes, u obtener, junto a la leche, sustancias de interés farmacéutico. Determinados animales se clonan terapéutica y

reproductivamente.

Los animales, se pueden modificar genéticamente para lograr un mayor crecimiento,

resistencia a condiciones ambientales adversas, u obtener animales que suministren grandes cantidades de sustancias, como hormonas, útiles para las personas.



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6. LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS

Las personas llevamos miles de años modificando los vegetales que utilizamos como alimento, muchas de las frutas que consumimos actualmente son el resultado de

mezclas que se hicieron hace tiempo entre diferentes plantas. Hoy en día sin embargo, la ingeniería genética permite llevar a cabo en pocos años y en forma controlada, modificaciones que antes costaban décadas de trabajo.

Un organismo transgénico o modificado genéticamente (OMG) es aquel en el que,

mediante ingeniería genética, se ha introducido un gen llamado transgén, procedente de otro organismo, o se le ha suprimido o modificado un gen propio.

La modificación genética permite que el organismo transgénico produzca alguna

proteína útil o por ejemplo, exprese alguna característica de interés.

Actualmente se han conseguido plantas transgénicas con fines muy diversos, como son la resistencia a ciertos microbios, insectos y herbicidas, la obtención de frutos que

se conservan durante más tiempo o la incorporación de genes para que produzcan ciertas sustancias, como vitaminas o antibióticos.

Algunas aplicaciones de la ingeniería genética en la agricultura:

Retraso en la maduración. El producto tarda más tiempo en madurar después de haber sido cosechado, lo que hace que la durabilidad del producto sea mayor. El

tomate Flavr Svr fue el primer alimento transgénico producido para el consumo masivo.

Resistencia a herbicidas e insectos. Esto produce mayores rendimientos en las

cosechas. Por ejemplo, La soja transgénica es resistente a herbicidas. El maíz transgénico soporta el ataque de determinados insectos como el taladro del maíz.

Mejora de la calidad. El producto mejora sus cualidades organolépticas. La ingeniería genética ha permitido obtener variedades de café más aromáticas y con menor contenido en

cafeína.

Producción de sustancias. Se consiguen plantas que tienen propiedades especiales

distintas a las que poseen de manera natural, o que mejoran su calidad nutricional. Existe una variedad de arroz que produce provitamina A, una sustancia importante para evitar problemas de ceguera. Se han conseguido patatas que inmunizan contra

el cólera o diarreas bacterianas

Las perspectivas de esta tecnología son amplias. Existen actualmente varias decenas

de productos transgénicos esperando ser comercializados. Sin embargo, existen opiniones que afirman que el cultivo de alimentos transgénicos ocasiona numerosos riesgos para el medio ambiente y las personas. Entre ellos se

destaca la pérdida de biodiversidad, la generación de resistencias a antibióticos por parte de las personas, el desarrollo de resistencias en insectos y "malas hierbas" o los

efectos no deseados en otros organismos.



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7. ANIMALES TRANSGÉNICOS Los animales transgénicos llevan en sus células algún gen procedente de otro

organismo. Generalmente, en animales, el ADN extraño, llamado transgén, se introduce en zigotos, y los embriones que hayan integrado el ADN extraño en su

genoma, previamente a la primera división, producirán un organismo transgénico; de modo que el transgén pasará a las siguientes generaciones a través de la línea germinal (gametos). Ese transgén, elaborado por medio de la tercnología del ADN

recombinante, debe incorporarse al ADN del animal hospedador y expresarse correctamente en sus células.

Hay dos formas de inserción de un transgén, por microinyección en un óvulo fecundado y por tasnformación in Vitro de células madre extraídas del embrión. En ambos casos, el fragmento de ADN se debe incorporar a un cromosoma.

Algunas aplicaciones de la investigación en animales transgénicos son:

- Fabricación de órganos para transplantes.

- Para producir proteínas humanas o para fabricar medicamentos, como vacunas, interferones o anticuerpos.

Obtención de una cerda transgénica Un gen híbrido que contiene el gen humano que codifica la síntesis de una proteína de

interés biológico junto con el promotor del gen que codifica una proteína de la leche de rata, se introducen por microinyección en un óvulo de cerda fecundado. El desarrollo de ese óvulo da lugar a un animal transgénico que tiene en todas sus

células el gen híbrido. Debido al promotor elegido, ese gen solamente se expresa en la glándula mamaria de la cerda induciendo la producción de la proteína humana en la

leche.



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8. LA BIOTECNOLOGÍA La biotecnología es la utilización de seres vivos o parte de ellos, con el fin de obtener

productos de interés para las personas. El término biotecnología fue empleado por primera vez en 1919 por el ingeniero

agrónomo Kart Ereky, sin embargo, no es algo nuevo. Desde hace siglos se viene utilizando la biotecnología al hacer por ejemplo, selección de ganado o al utilizar, diversos tipos de microorganismos para la elaboración de productos como el pan, el

queso, el yogurt o la cerveza. Actualmente la biotecnología utiliza técnicas avanzadas de manipulación de ADN que

permite detectar y tratar enfermedades genéticas, obtener o modificar diferentes productos, transferir genes de un organismo a otro para mejorar especies animales o vegetales, desarrollar microorganismos para usos específicos como la

descontaminación, etc.

Algunos usos actuales de la biotecnología

Producción de sustancias terapéuticas

Muchas sustancias terapéuticas se obtienen a partir de microorganismos

modificados genéticamente para producir sustancias importantes para las personas, como determinadas hormonas (insulina, hormona del crecimiento), antibióticos

(mediante la utilización de bacterias (Streptomyces) y hongos Penicilium ), factores

de coagulación sanguínea, enzimas utilizados en fármacos y vacunas. Esto permite que actualmente, por ejemplo, las personas diabéticas puedan tratarse con insulina

humana obtenida a partir de cultivos bacterianos.

Eliminación de metales pesados

La actividad industrial es responsable de la emisión al medio de un gran número de contaminantes. Entre los más peligrosos se encuentran los metales pesados. Mediante la biotecnología se han desarrollado bacterias capaces de eliminarlos

mediante reacciones químicas. También es posible utilizar ciertas plantas capaces de eliminar metales pesados de suelos contaminados e incorporarlos a sus

tejidos.

Biorremediación

La biorremediación consiste en utilizar ciertos hongos y bacterias para eliminar sustancias contaminantes del medio. Estos microorganismos pueden por ejemplo

degradar sustancias tóxicas como pesticidas o hidrocarburos, o descomponer productos químicos liberados en un derrame accidental de petróleo (mareas

negras), producción microbiana de compuestos biodegradables (bioplásticos, etc).

También se utilizan microorganismos para el tratamiento de aguas residuales, basuras, residuos industriales y agrícolas.

Producción de alimentos

La biotecnología ha permitido entre otras cosas aumentar la productividad de ciertas

cosechas y obtener plantas resistentes a plagas o tolerantes a ciertas condiciones ambientales como la sequía, el frío o la salinidad. También ha conseguido mejorar



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nutricionalmente algunos alimentos. Muchas frutas están genéticamente modificadas para aumentar su contenido en vitaminas.

Producción de energía

La biotecnología también contribuye a la búsqueda de nuevas fuentes de energía.

Actualmente es posible obtener gas metano a partir de la fermentación de residuos orgánicos de los desechos, lodos o aguas residuales. También se puede conseguir

energía del alcohol resultante de la fermentación de azucares. Por ejemplo, el

bioetanol obtenido a partir de la caña de azúcar es un combustible eficaz.

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