Biotecnología y Ingeniería Genética: Avances y Aplicaciones

Biotecnología: conjunto de técnicas que utilizan los mejores aspectos de los organismos vivos o de compuestos procedentes de ellos para obtener un beneficio.

Hay 3 etapas a lo largo de la historia:

• Biotecnología Tradicional

  Se utiliza desde hace miles de años, como por ejemplo los procesos de fermentación como el yogur, el pan, el alcohol...

• Biotecnología Moderna

  Hace 30 años destaca la manipulación selectiva y programada de material genético de los organismos en campos como la microbiología, la bioquímica y la inmunología.

• Biotecnología Contemporánea

  Actualmente destaca la secuenciación del genoma, la nanotecnología, la clonación celular y el desarrollo de biomateriales.

Ingeniería genética: conjunto de técnicas que permiten la manipulación y transferencia de genes de un organismo a otro obteniendo OGM (organismos genéticamente modificados) o transgénicos.

Se realiza a través de enzimas de restricción (endonucleasas) que son capaces de cortar el ADN en puntos concretos y así separar los segmentos que intervengan.

Las enzimas de restricción hacen posible la formación del ADN recombinante.

Se denomina ADN recombinante al que se ha formado al intercalar un segmento de ADN extraño en un ADN receptor, por ejemplo, la integración de un ADN vírico en un ADN circular.

En la actualidad se puede aislar un gen determinado, el ADN pasajero, y mediante un vector adecuado introducirlo en bacterias. Estas, al reproducirse, van aumentando el número de copias de ese gen (a este proceso se le denomina clonación, siendo el vector un plásmido o un virus).

FASES DE LA MANIPULACIÓN DE GENES:

• Aislamiento del gen específico a recombinar

  Se utilizan enzimas de restricción o endonucleasas para aislar un gen. Estas enzimas son sintetizadas por bacterias y son capaces de cortar el ADN de cualquier organismo en secuencias específicas distintas para cada enzima, de esta forma se aísla el gen deseado.

  (Ej. La enzima eco-R1 reconoce solo una secuencia que empieza con G-A-A-.-T-T-C.)

Al cortarse el gen específico dan lugar a fragmentos con extremos de una sola cadena, son los segmentos de cohesión que pueden asociarse a fragmentos de otros extremos.

Estos facilitan la formación del ADN recombinante a partir de dos ADN cortados por la misma enzima de restricción y unidos mediante las ADN ligasas que unen los extremos de cohesión.

Como en los procariotas no hay proceso de maduración del ARNm, si se desea intercalar un gen eucariótico en una bacteria no se puede introducir un segmento de ADN sino que se debe utilizar una enzima de origen vírico, la transcriptasa inversa, para producir ADN a partir de ARNm ya maduro. Después se duplica para que se forme la doble hélice.

• Introducción del gen en un organismo vivo

  La clonación de un gen consiste en introducirlo en una célula de manera que pueda ser copiado y mantenido. Para que un gen intruso no sea rechazado por el ADN de la célula huésped, y que se replique con ella, debe ser ligado a una molécula de ADN presente normalmente en la célula.

  Estas moléculas se llaman vectores y hay dos tipos:

  • Plásmidos

    Elementos genéticos presentes normalmente en las bacterias formadas por moléculas de ADN que se replican independientemente del cromosoma bacteriano.

  • Bacteriófagos

    Son virus atenuados que insertan su ácido nucleico en el cromosoma bacteriano.

• Incorporación del gen al genoma de la célula huésped

  Para incorporar el nuevo gen al ADN del plásmido:

  1. Se saca primero al plásmido de la bacteria
  2. Se le corta un trozo de ADN
  3. En su lugar se inserta el gen cuya incorporación pretendemos
  4. Unimos este fragmento de ADN (gen) mediante enzimas ligasas
  5. Hemos obtenido un ADN recombinante que se introduce de nuevo en la bacteria y se multiplica en ella.

  Los genes que se han de introducir se llaman ADN pasajero y pueden provenir de:

  • ADN de una célula que ha sido fragmentada, mediante enzimas de restricción
  • ARNm aislado, el cual se utiliza como molde para fabricar un ADN de doble hebra mediante la transcriptasa inversa de origen viral.
  • ADN sintetizado artificialmente, según el orden deducido de la secuencia de aminoácidos de la proteína que se desea fabricar. Esto permite introducir mutaciones y elaborar nuevas enzimas (enzimas de diseño).

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es un método alternativo a la clonación del ADN para conseguir un gran número de copias de un gen si conocemos las secuencias de los nucleótidos que lo flanquean.

La PCR imita in vitro, sin el uso de células, el ciclo de replicación del ADN que tiene lugar en una célula antes de dividirse y lo repite entre 20 y 30 veces generando un gran número de copias de cualquier secuencia de ADN. Se divide en tres grandes etapas que se observan en el siguiente esquema: desnaturalización, hibridación y síntesis de ADN.

Esta técnica es muy utilizada en estudios evolutivos, en patología microbiana y en medicina forense para la huella genética.

EJEMPLOS DE PROCESOS DE INGENIERÍA GENÉTICA:

• UTILIZACIÓN DE PLÁSMIDO BACTERIANO

  Es un pequeño ADN circular de doble hélice del que puede haber entre 20 y 50 ejemplares en una misma bacteria que se duplican de forma autónoma. Si mediante la lisis de la bacteria quedan libres en el citoplasma pueden penetrar en otras bacterias por transformación (las membranas se hacen permeables añadiendo 2 CaCl).

  Las bacterias receptoras adquieren así las propiedades de los genes contenidos en el plásmido. Para conocer qué bacterias han sufrido la transformación, a los plásmidos que se utilizan como vectores de un ADN pasajero, además de este ADN, se les añaden genes que codifican proteínas degradadoras de antibióticos. Así se pueden seleccionar las bacterias que han integrado el plásmido, ya que son las únicas que sobreviven en un medio con antibióticos.

• UTILIZACIÓN DEL PLÁSMIDO Ti COMO VECTOR DE GENES EN PLANTAS

  Se han descubierto plásmidos en levaduras con células eucarióticas que se pueden integrar en los cromosomas bacterianos. Esto permite utilizarlos como vectores de genes incluso de gran tamaño como son los de los mamíferos que previamente se han intercalado en ellos.

  Igualmente existe un plásmido Ti en una bacteria que parasita plantas. Uno de sus vectores puede penetrar en células vegetales e insertarse en uno de los cromosomas, esto permite utilizarlos como vector de genes que previamente se han intercalado dentro de Ti.

  TRANSDUCCIÓN

  Los virus también se utilizan como vectores. Cuando un virus infecta a una bacteria se inicia el ciclo lítico, se destruye el ADN celular, se replica el ADN vírico y se sintetizan las proteínas de la cápsida, encapsulándose los nuevos ADN víricos formando nuevos virus.

  En ocasiones, por error, se encapsulan segmentos de ADN bacteriano que pueden infectar a una segunda bacteria. Al introducir el segmento de ADN en la bacteria hospedadora se da lugar al proceso de traducción de nuevas proteínas. Este segmento de ADN se puede combinar con el segmento homólogo de la bacteria actual.

APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA:

• EN ENFERMEDADES HUMANAS

  1. En sustancias humanas producidas por bacterias

     Los primeros genes humanos introducidos en bacterias con el fin de obtener sustancias que son necesarias para la vida de muchas personas fueron:

     • Insulina: molécula encargada de regular el nivel de glucosa en sangre.
     • Hormona del crecimiento: es un único polipéptido de 191 aminoácidos. Se emplea para tratar algunos casos de enanismo.
     • Interferón (IFN): aislado a partir de células animales que la producen como respuesta a infecciones víricas. Servirá para el tratamiento de enfermedades víricas y de algunos tipos de cáncer.
     • Factor VIII de la coagulación: la hemofilia es una enfermedad que consiste en la no coagulación de la sangre, debido a la ausencia del factor VIII que interviene en el proceso. Se obtiene introduciendo en bacterias el gen humano que lo codifica. Es más rentable a partir de sangre de donantes evitando así enfermedades como el SIDA y la hepatitis.

  2. Ingeniería genética en humanos

     Introduciendo el gen correcto en células humanas:

     • Talasemia: presencia de hemoglobinas diferentes de las normales. Provoca anemia.
     • Carencia de la enzima adenosindesaminasa (ADA): implica un fallo en los linfocitos que acaba con la vida del paciente. Se les conoce como niño burbuja, porque los niños deben estar aislados del contacto con gérmenes.

• EN PRODUCCIÓN AGRÍCOLA Y GANADERA

  Los organismos eucarióticos desarrollados a partir de una célula en la que se han introducido genes extraños son organismos transgénicos. La introducción de genes en células eucarióticas es más difícil que en bacterias porque:

  • Es más complicado hacer permeable la membrana
  • En las células vegetales además hay que disolver la pared celulósica.
  • Se reconocen técnicas alternativas como:
    • Microinyección: introducción de ADN mediante una microjeringuilla.
    • Pistola: dispara microbalas de metal recubierto de ADN.
    • En plantas se suelen utilizar como vector un plásmido de una bacteria parásita que provoca tumores.

• Ingeniería genética aplicada a la producción agrícola

  Algunos ejemplos:

  • Variedades transgénicas del maíz: resisten las heladas gracias a la introducción de un gen de un pez muy resistente al frío.
  • Variedades transgénicas del trigo: son más nutritivas y resistentes a plagas por incorporar genes de insectos.
  • Variedades transgénicas del tomate: maduran más lentamente, lo que permite más días de transporte, para ello se anula el gen que regula su maduración al haberlo insertado en sentido inverso.