biotecnología - Concepcionistas Burgos

TEMA 21: BIOTECNOLOGÍA
1. La ingeniería genética
La biotecnología manipula y modifica microorganismos o células obtenidas de animales y plantas en el
ámbito de las industrias que manejan organismos y de los servicios (medicina, derecho). Por tanto, 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.
1.1 Fragmentación del ADN
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 E.
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.
1.2. Transformación por vectores
Se emplean vectores genéticos que funcionan como taxistas que transportan a un cliente el ADN recombinante. Los
vectores más usados son:
a) un plásmido
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).
Si la introducción de ADN extraño se realiza en células eucariotas no reproductoras se denomina al proceso transfección; y 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.
1.3 Selección de transformantes
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. 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.
1.4. Análisis de ADN clonado
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".
1.5. 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 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.
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), e
Figura 1: Clonación de ADN por la reacción en cadena de la polimerasa
2. Aplicaciones industriales 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.
2.1. Industria farmacéutica
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.
2.2. Industria alimentaria
El proceso de fermentación ha sido manipulado por el hombre de diversas formas para obtener toda una
serie de alimentos y bebidas. 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, sidra y otras muchas
en diferentes partes del planeta. En la fermentación alcohólica se emplean diferentes especies de levaduras
(hongos unicelulares) del género Saccharomyces.
2.3. Industria química y minera
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. Estas bacterias tienen la capacidad de crecer en soluciones
extremadamente ácidas (p H 1,5-3,5).
3. Aplicaciones medioambientales
Para la protección del medio ambiente se utilizan técnicas de biorremediación empleando microbios que son
capaces de metabolizar el petróleo en casos de mareas negras y en el lavado de tanques de petroleros; así
como para descontaminar aguas residuales de diferentes industrias que contengan metales pesados, uranio,
hidrocarburos, etc. Y descontaminar acuíferos.
4. Aplicaciones agrícolas, ganaderas y piscícolas
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.).
4.1. Clonación en plantas
La clonación en plantas se consigue sobre todo mediante la manipulación de cultivos celulares. La principal
técnica empleada es la micropropagación 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.
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).
4.2. Plantas transgénicas
Para obtener plantas transgénicas con genes de otras especies (sean plantas, microbios o animales) se
pueden utilizar dos grupos de técnicas: las indirectas y las directas.
La técnica indirecta 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.
4.3. Clonación en animales
La obtención de un gran número 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:
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 extraido 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.
4.4. Animales transgénicos
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).
5. Aplicaciones médicas
Las aplicaciones médicas de la biotecnología son inmensas. Sólo se exponen algunas de las más
prometedoras
5.1. Proyecto Genoma Humano
Este gigantesco proyecto de investigación tiene como objetivo averiguar la secuenciación completa de
nucleótidos (o pares de bases) 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).
5.2. Detección de enfermedades genéticas y terapia génica
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.
5.3. Vacunas y anticuerpos
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.
6. Aplicaciones jurídicas
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.
6.1. La huella genética
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.
6.2. La clonación humana
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.