Fundamentos y Aplicaciones de la Biotecnología Moderna: Ingeniería Genética y ADNr

Fundamentos de la Biotecnología: Conceptos y Tipos

La Biotecnología es un conjunto de técnicas, métodos y procesos tecnológicos que utilizan organismos vivos o sus derivados para generar productos de interés para el ser humano. Abarca dos grandes ramas:

Biotecnología Tradicional y Moderna

• Biotecnología Tradicional: Utiliza organismos vivos para obtener productos, bienes y servicios, como la producción de bebidas alcohólicas o pan mediante fermentación, o la selección de semillas o animales más productivos.
• Biotecnología Moderna: Es un conjunto de técnicas que permite la manipulación de material genético (ADN) con el fin de fabricar o modificar un producto, o desarrollar organismos con capacidades determinadas. Ha nacido de los progresos científicos basados en microbiología, biomoléculas, inmunología y nanotecnología, y se fundamenta en la Ingeniería Genética.

Clasificación de Productos Biotecnológicos

Los procesos biotecnológicos generan tres tipos principales de componentes:

1. Componentes Bioinertes

   Se trata de moléculas biológicas producidas a su vez por procesos biotecnológicos que no tienen capacidad de réplica. Incluyen:

   • Enzimas y complejos enzimáticos: Catalizan reacciones con numerosas aplicaciones industriales.
   • Proteínas: Funcionan como agentes terapéuticos (ej. vacunas).
   • ARN: Moléculas que codifican proteínas y son traducidas por las células.
   • Lípidos (Bicapas y Liposomas): Sirven como vehículos de transporte de sustancias al interior de la célula.

2. Organismos Vivos

   Tienen la capacidad de reproducirse y replicar su información genética. Se utilizan microorganismos que se cultivan en condiciones controladas o se liberan al medio (como en la biorremediación), o plantas cultivadas en el medio natural. Estos organismos pueden ser:

   • Naturales: No modificados genéticamente, sino seleccionados por ciertas características.
   • Organismos Modificados Genéticamente (OMG): Diseñados para mejorar características determinadas.

3. Sistemas Biológicos

   Son sistemas macromoleculares complejos con capacidad de réplica y transferencia genética, como los virus. Se utilizan como vectores virales capaces de modificar genéticamente a la célula huésped, introduciendo en ella un fragmento del genoma o insertándose en el propio genoma celular.

Ingeniería Genética: Herramientas y Procesos Clave

Características de los Microorganismos en Biotecnología

Los microorganismos son esenciales debido a sus características:

• Crecen rápidamente a gran escala en medios de cultivo líquidos.
• Producen sustancias de interés a corto plazo.
• Sus cultivos se pueden mantener durante largos periodos de tiempo.
• Son genéticamente estables y aptos para la manipulación genética.

Conceptos Fundamentales de la Ingeniería Genética

La Ingeniería Genética es el conjunto de procesos que utilizan técnicas de laboratorio para alterar la composición del ADN de un organismo. Las técnicas se emplean para manipular los genes con el fin de modificarlos, silenciarlos, duplicarlos o transferirlos de un organismo a otro para obtener Organismos Modificados Genéticamente (OMG). Se emplean:

• Técnicas de ADN Recombinante (ADNr).
• Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR).
• Secuenciación y análisis de fragmentos de ADN.
• Reprogramación y clonación celular.
• Cultivo de células y tejidos.
• Edición genómica mediante CRISPR/Cas9.

ADN Recombinante (ADNr)

Es una molécula de ADN obtenida en el laboratorio, formada por la unión de dos fragmentos de distinto origen: el inserto (el gen de interés a clonar) y una molécula de ADN que actúa como transportador (el vector) para introducir el gen en la célula hospedadora.

Enzimas de Restricción (Tijeras Moleculares)

Son endonucleasas, enzimas que reconocen secuencias específicas de la molécula de ADN (sitio de restricción) y cortan en ese punto específico. Son capaces de romper enlaces fosfodiéster de nucleótidos. Las endonucleasas son producidas por bacterias, donde actúan como mecanismo de defensa contra bacteriófagos. Los sitios de restricción suelen ser secuencias palindrómicas y actúan como diana para la enzima. Pueden dejar dos tipos de extremos: romos (sin cadena sencilla) o cohesivos (que se unen mediante enzimas ligasas).

Vectores de Clonación

Son moléculas transportadoras que transfieren y replican fragmentos de ADN que llevan insertados, mediante técnicas de ADNr. Se tratan con las mismas enzimas de restricción que el fragmento de ADN a recombinar. Cuando se combinan, tanto el fragmento exógeno como el vector presentan extremos cohesivos que pueden aparearse mediante ligasa. Los vectores más comunes son:

• Plásmidos: Moléculas de ADN circular de doble cadena, extracromosómicas, presentes en bacterias, que se replican independientemente del cromosoma principal. Presentan genes de resistencia a antibióticos que actúan como marcadores y facilitan la detección y selección de clones. Son utilizados en la síntesis masiva de proteínas, como la insulina.
• Bacteriófagos (Fagos): Virus que parasitan bacterias. Se utilizan cuando el fragmento de ADN que se quiere clonar es de mayor tamaño que el plásmido (ej. el fago Lambda puede llevar insertos de mayor tamaño y es más eficiente entrando en la célula hospedadora).
• Cósmidos: Vector sintético que combina las ventajas del plásmido y el fago Lambda.
• Cromosomas Artificiales (YAC): Permiten clonar grandes segmentos de ADN eucariota.

Etapas del Proceso de Clonación

1. Preparación del Vector e Inserto: El vector y el ADN que se desea insertar se cortan con la misma enzima de restricción para que dejen extremos cohesivos.
2. Formación del ADN Recombinante: El inserto más el vector se unen mediante la enzima ligasa.
3. Introducción en la Célula Huésped: El ADN recombinante se introduce en la célula hospedadora con el fin de que se replique en ella.
4. Replicación del ADN Recombinante: El vector tiene capacidad de replicación independiente, lo que aumenta el número de copias.
5. Proliferación Celular: Las células se cultivan en un medio acuoso.
6. Selección: Se seleccionan las células que han incorporado el ADN recombinante.
7. Expresión del Gen: En el caso de que la finalidad de la clonación sea obtener la proteína codificada por el inserto.

Organismos Modificados Genéticamente (OMG) y Técnicas Avanzadas

Generación de OMG

Los OMG son aquellos organismos que han sido manipulados por la biotecnología con el fin de que adquieran nuevos rasgos genéticos que inicialmente no poseían. Esto se realiza mediante diversas técnicas:

• Inducción por Mutaciones Dirigidas: Mutación puntual de la cadena de ADN, cuya secuencia se conoce previamente (a menudo asistida por PCR).
• Edición Genómica (CRISPR/Cas9): Permite la eliminación, inserción o reemplazo de secuencias génicas del ADN mediante enzimas de restricción.
• Transgénesis: Inclusión de un gen procedente de un organismo foráneo en el genoma de otro.

Organismos Transgénicos

Son organismos a los que se les ha introducido un gen de otra especie. Surgen a partir de la tecnología de ADNr. Consiste en la inserción de genes de unos organismos (bacterias, hongos, animales, plantas) en otros organismos no sexualmente compatibles, logrando que estos genes se expresen. La inserción se puede realizar mediante: microinyección, liposomas, vectores de clonación (virus modificados como adenovirus o retrovirus) o plásmidos bacterianos.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

La PCR es una técnica de amplificación del ADN in vitro, un método de clonación acelular de moléculas de ADN. Permite clonar un número elevado de copias de un fragmento de ADN. Para su ejecución se requiere:

• Fragmento de ADN de interés (molde).
• ARN Cebador (Primer).
• Mezcla de desoxirribonucleótidos trifosfato (las 4 bases en forma de ADN).

El ARN Cebador está diseñado y sintetizado específicamente para el fragmento. Se trata de secuencias de nucleótidos cortas que proporcionan a la ADN polimerasa un extremo 3' disponible para que la enzima empiece a copiar el molde.

Fases de la PCR (Aplicación Diagnóstica)

1. Toma de muestras.
2. Inactivación del virus.
3. Extracción del ARN viral.
4. Purificación del ARN viral.
5. Retrotranscripción.
6. Amplificación del ADN mediante PCR.
7. Detección mediante fluorescencia.

Terapia Génica

Es el conjunto de técnicas mediante las que se manipulan uno o varios genes para tratar o prevenir trastornos genéticos o enfermedades. Consiste en introducir copias de genes sanos o reemplazar un gen anómalo o no presente en las células del individuo. Sirve para:

• Corregir enfermedades genéticas.
• Impedir la progresión de tumores.
• Curar infecciones víricas.
• Detener enfermedades degenerativas.

Aplicaciones Estratégicas de la Biotecnología

Biotecnología en Salud y Medicina

Las aplicaciones en salud son vastas e incluyen:

• Industria Farmacéutica: Producción de proteínas, antibióticos, vacunas y esteroides.
• Diagnóstico de Enfermedades: La secuenciación del ADN y la elaboración de bases de datos facilitan el diagnóstico. El conocimiento del genoma y proteoma humano ha sido fundamental.
• Terapia Génica: Permite gran facilidad de modificación, reduce la respuesta inmune adversa y el riesgo de que se modifique el ADN en posiciones no deseadas.
• Medicina Forense: Las pruebas de ADN permiten la identificación de restos humanos (catástrofes, exhumaciones de fosas, escenas del crimen, restos arqueológicos). Esto es posible gracias a la PCR, que amplifica la muestra y permite disponer de material suficiente.

Biotecnología en Agricultura

Los vegetales transgénicos se elaboran modificando el ADN de los vegetales. Esto se logra a menudo introduciendo un plásmido procedente de la bacteria Agrobacterium tumefaciens, en el que se insertan los genes de interés para obtener OMG.

Ventajas y Desventajas

• Ventaja: Mejora en el rendimiento de las cosechas, ya que son más resistentes a enfermedades o sequías, asegurando mayor producción.
• Contrapartida: Posible pérdida de biodiversidad o desplazamiento de las especies naturales.

Los biofertilizantes e insecticidas biológicos favorecen el crecimiento y rendimiento de las cosechas. Una alternativa es usar bacterias capaces de fijar nitrógeno molecular atmosférico, que se inoculan a los cultivos y enriquecen el suelo.

Biotecnología Medioambiental (Biorremediación)

Implica el empleo de organismos para eliminar o neutralizar contaminantes en el suelo o en el agua. En los procesos de biorremediación se puede utilizar:

• Plantas (Fitorremediación).
• Microorganismos (Biorremediación microbiana).
• Enzimas producidas por bacterias (Biorremediación enzimática).

Biotecnología y Nuevos Materiales

Incluye la producción de plásticos biodegradables, materiales compuestos y tejidos resistentes al fuego, entre otros.