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La biotecnología manipula y modifica microorganismos o células obtenidas de animales y plantas en el ámbito industrial (medicina, farmacia).No se incluyen actividades que manipulen animales o plantas enteras, aunque éstas son necesarias posteriormente.

La ingeniería genética, conocida también como manipulación genética, surge en los años 70 (siglo XX) cuando se consigue introducir material genético de una especie en células de otra especie muy distinta.

En la naturaleza se produce una transferencia de material genético entre bacterias, fenómeno llamado transformación.

La transferencia de forma artificial se realiza mediante la técnica del ADN recombinante. A ésta se han ido sumando otras técnicas de ingeniería genética que se analizan seguidamente.

Se basa en la capacidad de ciertas bacterias que contienen enzimas llamadas restrictasas o endonucleasas de restricción (actualmente se comercializan más

de cien enzimas diferentes) que cortan el ADN por sitios específicos que reconocen, obteniéndose fragmentos de restricción. Para que se puedan unir después los fragmentos de ADN extraño y el ADN que se utilizará como vector, se han de cortar ambos con la misma restrictasa. Comparando dichos fragmentos, se construyen los mapas de restricción, los cuales se usan para comparar genomas de especies diferentes y establecer cambios evolutivos así como para detectar mutaciones cromosómicas como delecciones e inserciones.

A-A-T-T- C... G...G......C-T-T-A-A

...G-A-A-T-T-C...

...G-T-T-A-A-G...

EcoR1 (Escherichia coli)

Fragmentos de restricción

Secuenciareconocida

Restrictasa(Bacteria origen)

Cuadro I: Fragmentos de restricción originados por la enzima EcoRl

Los vectores más usados son:

a) un plásmido (fragmento extra de ADN bicatenario circular de unos 4,3 kb, que existe en algunas especies de bacterias).

b) un cósmido (similar al plásmido pero de mayor longitud, unos 40 kb).

c) un virus vector ( en este caso el ADN extraño que se quiere transferir se incorpora al ADN vírico y funciona como ADN recombinante).

La transformación de bacterias con ADN extraño se produce en muy pocas células (baja eficacia) en condiciones de laboratorio. Por ello, se emplean vectores genéticos que funcionan como taxistas que transportan a un cliente el ADN recombinante.

Si la introducción de ADN extraño se realiza en células eucariotas no reproductoras se denomina al proceso transfección.Si la introducción se realiza en células reproductoras de plantas y animales, la alteración génica va a estar presente en todas células del cuerpo, en este caso se habla de transgénesis

La multiplicación de las células que contienen el ADN recombinante (ADNr), ya sea en un plásmido o en un cósmido, o en su propio ADN (si se usó un virus vector), produce una clonación de éste, es decir, la producción de múltiples copias idénticas de ADNr que lleva el gen extraño, una copia en cada célula.

Pero cada clon de células tendrá un fragmento de ADN extraño distinto. Al conjunto de estas copias de ADNr diferentes se denomina biblioteca genómica.

Lo que se tiene que hacer ahora es seleccionar el clon de células (colonia crecida en agar) en cuyo interior está contenido el fragmento de ADN con el gen que interesa.

Esto se consigue mediante la obtención de una molécula de ADN complementario (ADNc) a partir de su propio ARNm procedente del gen extraño que se ha expresado.

El siguiente paso es localizar la posición del gen (región codificante de proteína) que interesa en el fragmento que está clonado en la colonia de células seleccionada.

Se emplea la técnica de transferencia de Southern (su inventor fue E.M. Southern).

Esta técnica se basa en la obtención de fragmentos de restricción del clon seleccionado y el tratamiento con ADNc radiactivo que hibridará con la región transcrita del gen porque el ADNc se ha obtenido a partir del ARNm producido en la transcripción de las células del clon seleccionado. Como el ADNc se ha construido con isótopos radiactivos funciona como una sonda y marcará en una autorradiografía la posición de los fragmentos que hayan hibridado (unión según bases complementarias de los nucleótidos) con el ADNc radiactivo. En esta técnica se basa el procedimiento para la obtención de "huellas genéticas".

La técnica de la clonación de ADN ha permitido obtener gran cantidad de este ácido nucleido para que pueda realizarse su secuenciación y conocer la composición química de cada gen, conocimiento que se considera de incalculable valor. Esto ha posibilitado la obtención de secuencias de genomas completos (son cada vez más los organismos y virus que son secuenciados, incluida la especie humana).

La técnica de Sanger (o del didesoxi), que es como se llama, se basa en la síntesis de ADN, usando como molde una versión monocatenaria del ADN que va a ser secuenciado. La técnica utiliza cuatro nucleótidos especiales, los didesoxinucleótidos (de aquí el nombre de la técnica) que provocan la terminación de la síntesis de fragmentos de ADN, los cuales según su longitud se situarán en distintos sitios en una placa de gel y de ahí se deduce la secuencia de nucleótidos.

Figura 1: Clonación de ADN por la reacción en cadena de la polimerasa

Mediante la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR en inglés) se pueden obtener grandes cantidades de ADN que permiten diferentes análisis, a partir de cantidades mínimas. Se basa en el proceso de replicación del ADN, para ello se utilizan unos oligonucleótidos que se han de diseñar como cebadores que inician la replicación "in vitro". La replicación se repite multitud de veces duplicando en cada ciclo la cantidad de ADN obtenido.

Esta técnica tiene múltiples utilidades: realizar pruebas de paternidad o averiguar la autoría de un delito; diagnosticar enfermedades hereditarias antes del nacimiento, analizar restos de tejidos en huesos para hacer estudios filogenéticos; realizar secuenciaciones de genomas (mucho más rápido que a partir de la clonación en células), etc.

Esta síntesis artificial de ADN se ha de realizar a altas temperaturas para que las dos cadenas de ADN no se enrollen entre sí, lo cual puede realizarse gracias a una enzima ADN polimerasa obtenida de una bacteria termófila.

Los productos que tienen un interés comercial se pueden agrupar en cuatro clases:

a) productos del metabolismo primario( dióxido de carbono, etanol, ácido acético, aminoácidos, etc.).

a) productos del metabolismo secundario (antibióticos, toxinas).

a) macromoléculas (polisacáridos, enzimas); y

a) células microbianas (pienso animal llamado proteínas microbianas).

Cuadro II: Algunos de los principales productos industriales obtenidos con la ayuda de los microorganismos

Existen en la naturaleza unos centenares de especies de microorganismos (bacterias, levaduras, mohos, algas unicelulares) que producen sustancias que presentan algún interés para la especie humana.

Figura 2: Síntesis de la somatostatina en Escherichia coli

La industria farmacéutica produce actualmente toda una gama de sustancias que obtiene de microorganismos como son: sustancias antimicrobianas (sobre todo antibióticos de diversos tipos), vacunas, vitaminas, hormonas peptídicas (como la insulina, la hormona del crecimiento o somatotropina), factores hipotalámicos (como la somatostatina, ver figura) y enzimas.  

El proceso de fermentación ha sido manipulado por el hombre de diversas formas para obtener toda una serie de alimentos y bebidas.

Figura 3: Producción de la cerveza

Así, por fermentación láctica se produce queso y yogur;la fermentación alcohólica se emplea para la elaboración de pan fermentado (en este caso se aprovechan las burbujas de dióxido de carbono para esponjar el pan) y bebidas alcohólicas como el vino, la cerveza (ver figura 3), sidra, etc. En la fermentación alcohólica se emplean diferentes especies de levaduras (hongos unicelulares) del género Saccharomyces

Diversos tipos de industrias utilizan microorganismos para la obtención de sustancias de interés como aminoácidos (ácido glutámico en forma de glutamato monosódico usado como potenciador de sabores y aromas); ácidos orgánicos como cítrico, acético (utilizado en la fabricación de acetatos, películas fotográficas, etc.); butanol (empleado en la fabricación de plastificantes), etanol (como combustible), enzimas como proteasas (usadas en detergentes), etc.

En las industrias mineras se utilizan micoorganismos para extraer por biolixiviación metales preciosos, metales pesados, uranio y petróleo.

Para la protección del medio ambiente se utilizan técnicas de biorremediación empleando microbios que son capaces de metabolizar el petróleo en casos de mareas negra y en el lavado de tanques de petroleros; así como para descontaminar aguas residuales de diferente industrias que contengan metales pesados, uranio, hidrocarburos, etc.

c) Desarrollo de huellas genéticas para identificar especies o búsqueda de genes concretos.

Las técnicas biotecnológicas se aplican a la agricultura y a la ganadería para obtener mayores cosechas y mejores alimentos con plantas y mayor cantidad y calidad en la cría de ganado, así como evitar el fraude en el consumo de alimentos (comercializar unas especies piscícolas por otras, alimentos transgénicos, etc.).

Se trabaja en tres líneas biotecnológicas:

a) para obtener múltiples individuos iguales con una característica que interese.

b) Modificación genética de especies con características nuevas (transgénesis)

La clonación en plantas se consigue sobre todo mediante la manipulación de cultivos celulares. La principal técnica empleada es la micropropagaciónn o propagación vegetativa in vitro, la cual permite clonar en corto tiempo un gran número de especies. Este procedimiento se utiliza para la selección y producción de plantas en grandes cantidades, así como para la investigación en biología vegetal.

Figura 4: Método de obtención de callos caulinares

Se consigue mediante la obtención de unos fragmentos o explantes de la planta madre. Los explantes se colocan en un medio de cultivo adecuado y produce un callo (masa de células sin diferenciar); los callos pueden dividirse en multitud de fragmentos o incluso hacerse una suspensión de células. En el momento que se desee, se cambian las concentraciones de hormonas auxina y citoquinina, esto hace que se diferencien las células de los callos con lo que originarán plantas enteras. Esta técnica puede ser muy útil para la conservación de especies y variedades en peligro de extinción, así como para hacer más rentables la producción de flores o de metabolitos secundarios (perfumes, pigmentos, etc.)

Figura 5: Transferencia de ADN extraño a una célula vegetal mediante el vector bacteriano Agrobacterium tumefaciens

La más usada es la transformación de células mediante la bacteria Agrobacterium tumefaciens.

Esta bacteria vive en el suelo y produce en las plantas dicotiledóneas una enfermedad tumoral llamada "agalla de cuello".

Cuando contacta con las células de la planta les transfiere un segmento de ADN del plásmido Ti (inductor de tumores) que contiene la bacteria. Este plásmido puede integrarse en uno o más cromosomas de las células vegetales, por lo que puede utilizarse como vector de genes que se deseen introducir en plantas de especies dicotiledóneas.

La célula que recibe genes extraños puede regenerar una planta entera mediante la técnica de la micropropagación y obtener así una planta transgénica.

Para obtener plantas trásgénicas con genes de otras especies ( sean plantas, microbios o animales) se pueden utilizar dos grupos de técnicas: las indirectas y las directas.

Entre las diversas técnicas de transferencia directa de material genético una de las más empleadas es la "de la perdigonada" o transformación biolística. Se trata de disparar bolitas de oro que llevan fragmentos de ADN adheridos, con una especie de pistola, sobre una población de células. Las bolitas que queden en el citoplasma pueden transferir el ADN que transportan a algún cromosoma de la célula bombardeada.

Las aplicaciones agrícolas van desde el mejoramiento de procesos básicos como la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno atmosférico por parte de las plantas, hasta la resistencia a herbicidas, agentes patógenos y factores de estrés (salinidad del suelo, sequía, etc.), así como la obtención de productos agrícolas de mejor calidad y características nuevas.

Figura 6: Obtención de una planta transgénica por transformación biolística

La obtención de un gran numero de animales con alguna característica común (producir mucha leche, engordar rápidamente, producir lana azul, etc.) es una aspiración de muchos ganaderos. La forma de conseguirlo es mediante la clonación con la que se consiguen animales genéticamente idénticos. Se usan para ello dos técnicas:

Obtención de reses clónicas mediante la transferencia de núcleos de células embrionarias de mórula

a) la disgregación de células embrionarias a partir de un embrión, de modo que cada célula separada funciona como un zigoto y originará un animal.

b) la transferencia nuclear; ésta consiste en obtener óvulos enucleados (se les ha extraído el núcleo por microsucción) y conseguir introducir un núcleo de una célula embrionaria o de una diferenciada (especializada), con esta última modalidad se obtuvo la famosa oveja Dolly. Cuanto más diferenciada esté una célula más difícil es conseguir su reprogramación para que funcione como un zigoto y origine un nuevo animal.

Las aplicaciones son múltiples, como con las plantas, desde el uso de animales como biorreactores para la producción de proteínas de interés (humanas o de otro tipo), hasta el estudio de genes específicos y la posibilidad de la terapia génica en humanos.

Cuando el ADN extraño que se introduce no afecta a células germinales, sino a las células somáticas, se denomina al proceso tranfección y para conseguirla se usan distintas técnicas. Las células transfectadas tienen gran interés en la obtención de líneas celulares alteradas capaces de producir compuestos comerciales.Fases en la transfección de ADN según diversas

técnicas

Aparato de microinyección

En los animales el ADN extraño o transgén se introduce en zigotos de modo que el embrión que resulte haya integrado el transgén en todas las células y origine un organismo transgénico. Una forma de conseguir la transgénesis es mediante la técnica de la microinyección de zigotos, en la que se inyecta con una micropipeta el material genético que se desee. Otra posibilidad es utilizar células embrionarias en las que se inocula el transgén mediante diversas técnicas (electroporación, transfección con virus o por microinyección).

Ubicación de algunas enfermedades genéticas conocidas en el mapa genético humano

Este proyecto de investigación tiene como objetivo averiguar la secuenciación completa de nucleótidos de los 23 pares de cromosomas humanos, para conocer la composición química exacta de todos los genes (genoma) y su ubicación en cada uno de los cromosomas, así como toda la información adicional extra no codificante (el llamado ADN basura) y estudiar su función.

En 1997, el Genoma humano fue declarado patrimonio de la Humanidad por la UNESCO, para evitar que se comercialice con él. En junio del año 2001 se presenta una primera aproximación de la secuencia completa, descubriéndose que tenemos muchos menos genes (unos 30.000) de los inicialmente previstos (100.000).

Las enfermedades genéticas debidas a un solo gen defectuoso ascienden a más de 4000, de las cuales 345 afectan al cromosoma X, por lo que serán transmitidas a los niños varones, si su madre posee uno de esos defectos genéticos.

La terapia génica está siendo considerada la cuarta revolución de la medicina (después de las medidas de salud pública, la anestesia, y las vacunas y antibióticos). Para su aplicación se siguen dos estrategias:

a) Insertar una copia sana de un gen en las células del paciente con una enfermedad genética, para compensar el efecto del gen defectuoso ( esto se consiguió con una niña que tenía una inmunodeficiencia grave).

b) Introducir un gen especialmente diseñado para que proporcione una nueva característica a las células (por ejemplo, introducir en linfocitos un gen que produzca un inhibidor del virus del sida en pacientes afectados por el VIH).

Las vacunas contienen un agente patógeno causante de una enfermedad infecciosa, pero o está muerto o está atenuado (son cepas muy poco virulentas). También se puede vacunar con subunidades del patógeno, éstas pueden hoy día fabricarse mediante ingeniería genética en gran cantidad. Las subunidades son proteínas con poder antigénico. Así, se ha conseguido obtener la vacuna de la hepatitis B mediante la tecnología del ADN recombinante. El gen de la subunidad proteica del virus de la hepatitis fue introducido en la bacteria Escherichia coli y en la levadura Saccharomyces cerevisiae, las cuales produjeron en cultivo la proteína del virus.

Los anticuerpos sirven como defensa frente a enfermedades infecciosas y sustancias extrañas, pero además son un medio de curación para aquellos enfermos que no son capaces de producirlos. La técnica de los anticuerpos monoclonales permite obtener gran cantidad de ellos y sin impurezas; consiste en inmortalizar las células responsables de su fabricación, las células plasmáticas que se forman por activación de los linfocitos B. La forma de conseguirlo es hibridando células plasmáticas y células tumorales con capacidad para multiplicarse indefinidamente (células de mielomas), el resultado son células híbridas llamadas hibridomas que se pueden clonar. Cada clon (procedente de un solo hibridoma) producirá un anticuerpo monoclonal.

Técnica utilizada en la prueba del ADN

La biotecnología se puede aplicar a otras facetas de la vida social además de las mencionadas. De entre todas ellas es de destacar su utilización en relación con el derecho y la ciencia forense.

En el esclarecimiento de un crimen puede ser crucial la prueba que aporte el biólogo forense al determinar la huella genética del criminal a partir de un resto de saliva en un cigarrillo (contiene células de la mucosa bucal), una mancha de sangre (leucocitos), restos de semen (espermatozoides) o un simple pelo (células del folículo piloso). La técnica que se aplica es la del perfilado del ADN o prueba del ADN . Se basa en la presencia de regiones en el material genético no codificante que se denominan minisatélites , y que contienen muchas repeticiones en tándem de una pequeña secuencia de nucleótidos. Para su detección se utilizan sondas génicas (oligonucleótidos marcados con átomos radiactivos), de modo que cada sonda detecta un minisatélite. Estos minisatélites son de diferente longitud en cada persona puesto que el número de repeticiones en tándem es variable.

La huella genética también puede utilizarse para realizar pruebas de paternidad y para identificar a personas desaparecidas de las que se tengan sus huesos; esto ocurrió con los restos óseos de los miembros de la familia del último zar de Rusia asesinados por los bolcheviques.

Técnica de clonación

La posibilidad de clonar animales mamíferos, tanto a partir de células embrionarias como de células diferenciadas (caso de la oveja Dolly), abre la puerta para la clonación de humanos. Para mayor polémica se publica en 1993 un experimento de clonación humana hecho con embriones humanos que no podrían haber sobrevivido, pero que mediante la disgregación de sus células se obtuvieron 48 embriones clónicos (idénticos genéticamente) que fueron posteriormente destruidos.

Clonar personas enteras está prohibido en muchos países y condenado por muchas instituciones, pero clonar tejidos humanos con fines terapéuticos es pedido por multitud de científicos, sobre todo desde que se puede dirigir la diferenciación de células madre hacia la obtención de tejidos concretos.