ingeniería y manipulación genética
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INGENIERÍA Y MANIPULACIÓN GENÉTICA 1. Propiedades del ADN El ADN es una larga molécula de ácido nucleico, formada por cuatro tipos de nucleótidos que se diferencian en la base nitrogenada, A (Adenina), G (Guanina), C (Citosina) y T (Timina). Imaginemos el ADN como un larguísimo collar cuyas cuentas son los nucleótidos con sus bases nitrogenadas. La disposición secuencial de las cuatro bases a lo largo del collar es la que codifica el mensaje genético. Esta información siempre reside en el núcleo, y es la misma para todas las células de un individuo. Para poder utilizar la información genética, la célula copia trozos de esa información. Esos trozos son los genes, y son copiados en fragmentos de otro tipo de ácido nucleico, el ARN, el cual sí puede salir del núcleo para que se interprete el mensaje. Cuando se copia la información de un gen a ARN, se copia el orden exacto de sus nucleótidos. En la molécula de ARN, cada base es como una letra copiada directamente del ADN. Al igual que con las letras de nuestro abecedario podemos escribir frases con diferentes mensajes, el orden de las bases nitrogenadas también contiene información. En el ARN las letras se leen de tres en tres, en tripletes; cada triplete se denomina codón. Los codones son las palabras del mensaje que transmite el ARN a partir de un gen. Re pli ca ció n En la célula, cada codón tiene un significado, un aminoácido (aa), que son las moléculas que forman las proteínas. Como estudiarás a continuación, el orden de los codones indica la forma en que han de unirse los aminoácidos para formar una proteína. Por lo tanto, en el ADN que recibimos de nuestros progenitores se encuentra toda la información para fabricar todas las proteínas que nos constituyen. U A CG Transcripción Codón CG A G A Codón Codón ARN Traducción ADN aa aa aa PROTEÍNA La información contenida en los genes en forma de secuencia de nucleótidos se transforma en proteínas gracias al ARN que funciona de intermediario. 1.1 Replicación Una de las funciones que caracteriza a los seres vivos es la capacidad de reproducirse. Algunos seres unicelulares como las bacterias tienen un crecimiento tan rápido que se reproducen por bipartición cada 20 o 30 minutos dando lugar en este tiempo a dos células hijas. En los seres pluricelulares, desde el momento de la fecundación y a lo largo de toda la vida de un individuo, las células que lo forman se reproducen por mitosis para permitir su crecimiento, la renovación de las células viejas y la reparación de los tejidos dañados. En cualquiera de los casos, cualquier tipo de célula antes de dividirse tienen que duplicar su ADN para que las células hijas reciban la información genética completa de la célula madre. La replicación del ADN es el proceso mediante el cual la célula hace una copia exacta de su material genético para poder repartirlo entre las células hijas durante el proceso de división celular. Como ya sabes, la doble hélice de ADN está constituida por dos cadenas de nucleótidos enfrentadas entre sí por las bases nitrogenadas, de manera que cada una de las bases de una de las hebras forma pareja con una base de la otra, manteniéndose así unidas ambas cadenas. Se dice que son bases complementarias a las dos bases (cada una de una cadena) que se encuentran enfrentadas y unidas. En el ADN la adenina(A) siempre es complementaria de la Timina (T), y la guanina (G) siempre es complementaria de la citosina (C). Para copiar el ADN, las enzimas que intervienen en el proceso localizan un punto del ADN que determina por donde deben empezar a copiar (origen de replicación). Allí abren la doble hélice y separan ambas cadenas. A continuación otras enzimas recorren cada una de las hebras y van creando una cadena nueva a partir de cada una de las antiguas. El proceso consiste en unir uno a uno nucleótidos a la cadena que se está creando, siempre siguiendo el mismo orden en el que se encuentran en la cadena que sirve como molde. Enzimas que deshacen la doble hélice y separan ambas cadenas La replicación del ADN ocurre una vez cada generación celular. Las enzimas que copian el ADN se denominan ADN polimerasas. Cada cadena se copia en una dirección. Al final del proceso, el ADN completo se habrá duplicado. Cada doble hélice estará formada por la unión de una cadena antigua y una nueva. En la célula eucariota, todo este proceso se lleva a cabo en el interior del núcleo, justo antes de que la célula entre en la fase de división. 1.2 Transcripción Los genes controlan mediante las proteínas que codifican todos los aspectos de cada organismo. En el organismo de cualquier ser vivo las proteínas constituyen las biomoléculas básicas que constituyen su estructura. Hay muchos tipos de proteínas. Algunas constituyen estructuras celulares; por ejemplo todos los orgánulos están constituidos en mayor o menor proporción por proteínas. Otras confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos. Otras cumplen importantes funciones como defensa del organismo (anticuerpos), transporte (hemoglobina) o función hormonal (insulina). Entre las proteínas más numerosas y especializadas se encuentran las enzimas, que actúan controlando todos los procesos del metabolismo celular. Para que el organismo tenga disponible todas las proteínas que necesita, en todas las células se están dando continuamente todos los procesos necesarios para su elaboración. La información para la síntesis de las proteínas está en el ADN, concretamente cada gen contiene la información necesaria para sintetizar una proteína. Para que se pueda sintetizar una proteína a partir de un gen, es necesario crear unas moléculas intermediarias constituidas por ARN. Se denomina transcripción al proceso que tiene lugar en el núcleo de la célula mediante el cual se sintetiza una molécula de ARN a partir de un segmento de ADN. El ARN es un tipo de ácido nucleico parecido al ADN. También está constituido por cuatro tipos de nucleótidos, tres comunes con el ADN (con las bases nitrogenadas A, G y C) y un nucleótido diferente (el que contiene U (uracilo) en lugar de T). Su estructura es diferente a la del ADN, ya que solo cuenta con una cadena de nucleótidos, y no forma doble hélice. Hay varios tipos de ARN que cumplen diferentes funciones, todas ellas relacionadas con la síntesis de las proteínas. - ARN mensajero (ARNm): Traslada la información de un gen desde el núcleo hasta los ribosomas. ARN ribosómico (ARNr): Forma parte de la estructura de los ribosomas. ARN transferente (ARNt): Se encuentra por el citoplasma de la célula y su función es localizar los aminoácidos que van a formar las proteínas. El proceso de transcripción es similar para los distintos tipos de ARN que la célula necesite sintetizar. Por ejemplo, si la célula necesita una determinada proteína, se dará la transcripción del gen que codifica para esa proteína. En la célula eucariota, la síntesis del ARN tiene lugar en el interior del núcleo, y es llevada a cabo por un conjunto de enzimas, de las cuales la más importante se denomina ARN polimerasa. 1.3 Traducción La molécula de ARNm contiene el mensaje con la información que se ha copiado directamente de un gen. A continuación el ARNm sale del núcleo por los poros y se dirige a los ribosomas. La traducción es el proceso mediante el cual se lleva a cabo la síntesis de una proteína a partir de la información que porta la molécula de ARNm. En el proceso de traducción interviene otro tipo de ARN, el ARN transferente. La molécula de ARNt tiene una estructura en forma de hoja de trébol, formada por zonas donde las bases son complementarias denominadas brazos, y otras zonas donde se forman bucles. La función del ARNt es localizar los aminoácidos que se encuentran por el citosol de la célula, unirlos a su brazo aceptor y llevarlos al ribosoma. Brazo aceptor En el extremo anticodón del ARNt se halla un triplete específico para distintos ARNt. El anticodón determina a qué aa se unirá cada ARNt. Las proteínas pueden estar formadas por 20 tipos de aminoácidos distintos (aa), los cuales se combinan en el orden que dicten las bases del ARNm. Estas bases se leen de tres en tres, en tripletes; cada triplete se denomina codón. Cada codón se interpreta como la unión de un determinado aminoácido a la cadena polipeptídica o proteína. Por ejemplo, consideremos la siguiente secuencia de bases de un ARNm. 5’-AUG GUC UUC----3’ El primer codón de esta secuencia es el formado por las bases AUG, el segundo lo forman GUC, el siguiente UUC, y así sucesivamente. La relación entre los tripletes de bases y el aa que codifica cada uno de ellos viene dada por el código genético y lo estudiarás más adelante. Las distintas moléculas de ARNt localizarán y se unirán a uno u otro aa dependiendo de las tres bases nitrogenadas situadas en el bucle opuesto a su brazo aceptor (extremo anticodón). Por ejemplo, si este triplete es UAC el ARNt se encarga de localizar un aa llamado metionina. Por otra parte cada anticodón es complementario de un codón del ARNm, y actuarán en el orden en el que estos se encuentren. La síntesis de proteínas tiene lugar en los ribosomas, tanto en los adosados a las membranas del retículo endoplasmático como en los que se encuentran libres por el citoplasma. En ambos casos estos orgánulos están constituidos por dos partes, una más grande denominada subunidad mayor y otra de tamaño más pequeño denominada subunidad menor. En su interior hay dos huecos, el sitio P y el sitio A. El proceso de traducción se realiza como se muestra en las siguientes figuras. Etapa de iniciación Anticodón Codón - El codón AUG es interpretado como codón de iniciación. La subunidad menor se une en ese punto al ARNm. -A continuación el ARNt de anticodón UAC, que lleva el primer aa de la proteína, se une a su codón complementario, AUG (codón de iniciación). -Seguidamente la subunidad mayor se une a la subunidad pequeña de manera que todo lo anterior queda en el sitio P y el siguiente triplete del ARNm queda en el sitio A. Etapa de elongación (alargamiento de la cadena de aa) Unión de los aa A A G -Un ARNt que porta otro aa, reconoce el codón del sitio A y se une a él emparejándolo con las bases de su anticodón. De esta forma los dos aa quedan alineados y se forma un enlace que los mantiene unidos. -Al mismo tiempo el primer ARNt sale del ribosoma y el sitio P queda vacío. -Inmediatamente el ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm en un bloque de tres bases, de manera que las moléculas que ocupaban el sitio A se encuentran situadas en el sitio P, mientras el A, vacío, será ocupado por un nuevo ARNt, aquel cuyo anticodón sea complementario al nuevo codón de sitio A. -De esta forma se unen de la manera adecuada los cientos o miles de aminoácidos que forman la cadena en crecimiento. Etapa de terminación Un codón de terminación (UGA, UAA, UAG) se sitúa en el sitio A, lo que se interpreta como final del mensaje. Ningún ARNt se une a este codón, de manera que unas enzimas intervienen ocupando el sitio A, haciendo que se liberen el ARNt del sitio P y la proteína que se ha terminado de sintetizar. Finalmente se separan todas las estructuras. 1.4 El código genético El código genético es como un lenguaje donde las letras son las 4 bases que forman las moléculas de ARN (A, U, C, G), y las palabras son las agrupaciones de 3 bases que se pueden formar combinándolas entre sí, (los codones). Los objetos designados por dichas palabras son cada uno de los 20 aminoácidos que componen las proteínas. Haciendo tus propias cuentas podrás comprobar que se pueden obtener 64 combinaciones diferentes si combinamos las 4 bases de 3 en 3 (43); 64 codones sirven para nombrar a los 20 aminoácidos. Así como en cada idioma existen palabras sinónimas, el código genético también emplea codones diferentes para nombrar a un mismo aminoácido. La mayoría de los aminoácidos están codificados por más de 1 codón, son codones sinónimos. El código genético es la manera de relacionar cada uno de los tripletes de nucleótidos que se pueden formar combinando de tres en tres las bases del ARNm, con cada uno de los 20 posibles aminoácidos que forman las proteínas. Los aminoácidos están representados por las tres primeras letras de su nombre. Hay 61 codones que codifican aminoácidos. Los codones UGA, UAG y UAA actúan como señales de terminación en la síntesis de proteínas. El bioquímico español Severo Ochoa fue galardonado en 1959 con el Nobel de Fisiología y Medicina, premio que compartió con su discípulo Arthur Kornberg, por los descubrimientos que ambos realizaron respectivamente sobre los mecanismos de acción de las enzimas ARN polimerasa y ADN polimerasa en la síntesis del ARN y del ADN. Gracias a su descubrimiento, Severo Ochoa prosiguió con sus investigaciones hasta obtener las claves necesarias para el desciframiento del código genético. 2. La ingeniería genética Una característica de la molécula de ADN es su universalidad. Todas las especies de seres vivos poseen un material genético de la misma naturaleza, el mismo tipo de ácido nucleico, ADN. Por ello, y teniendo en cuenta el concepto de gen, surgen algunas preguntas; ¿son compatibles los genomas de especies distintas?, ¿puede el gen de una especie funcionar y manifestarse en otra completamente diferente? La biología molecular ha constituido una gran aportación a la biología moderna. Actualmente, los conocimientos sobre la estructura y función de los ácidos nucleicos y proteínas, son amplios. El avance más importante para la ciencia moderna fue el descubrimiento de los mecanismos de la herencia. Desde mediados del pasado siglo, los avances en genética molecular han hecho posible que los científicos hayan abordado cuestiones como el aislamiento y la manipulación del ADN. El desarrollo de la ingeniería genética lo ha hecho posible. La Ingeniería Genética es la rama de la genética que se centra en el estudio del funcionamiento de los genes y en las técnicas para su manipulación con un fin determinado. Gracias a la ingeniería genética, se puede alterar el ADN de una célula para eliminar o incorporar genes en él, se puede modificar la información de un determinado gen o formar muchas copias del mismo. Con la manipulación genética se pueden producir nuevas combinaciones de genes en los organismos que resuelvan problemas en la medicina, en la industria o en la agricultura. 2.1 Tecnología del ADN recombinante Como ya se ha dicho, la ingeniería genética permite obtener nuevas moléculas de ADN artificialmente para introducir características nuevas en los individuos. Se denomina ADN recombinante a la molécula de ADN formada por la unión de fragmentos de ADN de orígenes diferentes; y se conoce como organismo transgénico a aquel organismo cuyo genoma ha sido modificado con genes procedentes de otros organismos. La tecnología del ADN recombinante generalmente se utiliza como sinónimo de ingeniería genética. Uno de los intentos pioneros de usar la tecnología del ADN recombinante fue la búsqueda de una cura para el enanismo hipofisario. Para reemplazar a los genes defectuosos de la hormona del crecimiento se recurrió a la ingeniería genética. El proceso se realizó en varias etapas: 1. Localizar y aislar el gen. Los investigadores aislaron moléculas de ARNm del gen de la hormona del crecimiento de la hipófisis de personas sanas y lo usaron de molde para sintetizar ADN. Para ello usaron una enzima muy especial denominada transcriptasa inversa, la única enzima que constituye la excepción de poder sintetizar ADN a partir de ARN. Esta enzima es propia de algunos tipos de virus, de los cuales fue obtenida. Gracias a ella se consiguieron segmentos de ADN con la secuencia de nucleótidos correcta. 2. Clonar el gen. Ya se disponía de la secuencia correcta de ADN; el siguiente paso era multiplicarla. Clonar el gen significa hacer múltiples copias del gen. Actualmente se utilizan distintas técnicas de clonación. Para la hormona del crecimiento los investigadores pensaron en introducir el gen aislado en una bacteria, así esta lo replicaría y lo transmitiría a las células hijas cada vez que la bacteria entrara en división, pero ¿cómo introducir el gen en la bacteria? 3. Uso de plásmidos. Los fragmentos de ADN obtenidos no se pueden introducir libremente en las células bacterianas para que se repliquen, necesitan un vehículo adecuado. Los plásmidos son pequeñas moléculas de ADN circular presentes en el citoplasma de las bacterias separados del cromosoma bacteriano. El proceso trataría de introducir el gen aislado primero en un plásmido y luego insertar este en una célula bacteriana. Los plásmidos utilizados de esta forma reciben el nombre de vectores de clonación o simplemente vectores. Para ello fue necesario encontrar una técnica que permitiera manipular el plásmido, cortarlo e incorporarle el gen. 4. Cortar y pegar. A modo de tijeras se emplean las llamadas enzimas de restricción. Son enzimas bacterianas que reconocen secuencias determinadas de nucleótidos y cortan la molécula de ADN por un punto concreto. Por ejemplo, una enzima de este tipo que reconozca la secuencia GAATTC, siempre corta entre la G y la A. Hay muchos tipos de enzimas de restricción que reconocen y cortan diferentes secuencias. Si se cortan el gen que se desea clonar y el plásmido con la misma enzima de restricción, se originan los mismos extremos complementarios en ambas moléculas. Luego se colocan el gen y el plásmido abierto en presencia de otra enzima denominada ligasa (ADN ligasa) que actúa, uniendo ambas moléculas por sus extremos complementarios. El resultado es una molécula de ADN recombinante. El plásmido y el gen se cortan por separado con la misma enzima de restricción. Luego se mezclan para que se emparejen los extremos y la ADN ligasa los une. 5. Transformación. Al final del proceso de cortar y pegar se obtiene un plásmido recombinante con un segmento de ADN capaz de sintetizar correctamente la hormona del crecimiento. Para su replicación, estos plásmidos deben incorporarse a la célula. Para ello, los investigadores utilizan sustancias químicas o descargas eléctricas que aumentan la permeabilidad de la bacteria, lo que permite que el plásmido entre en su interior. Este proceso se denomina transformación. Luego se cultivan las células hasta obtener millones de clones de bacterias portadoras del gen correcto. 7. Producción industrial. Para conseguir producir grandes cantidades de la hormona del crecimiento, es importante que el plásmido presente una secuencia promotor reconocida por la enzima ARN polimerasa. Cuando esta localiza el promotor, sintetiza ARNm de la secuencia de nucleótidos que interesa obtener. De este modo las bacterias transformadas transcriben y traducen el gen de la hormona del crecimiento humano. Esta proteína se acumula en su citoplasma y se puede aislar y purificar. La cura del enanismo hipofisario mediante la ingeniería genética fue un éxito. La base de la ingeniería genética es la capacidad de crear nuevas combinaciones de secuencias de ADN cortando secuencias concretas y pegándolas en otras localizaciones. Actualmente, la tecnología del ADN recombinante se usa en múltiples aplicaciones como estudiarás más adelante. La técnica en todos los casos es similar a la descrita, aunque su rápido desarrollo permite cada vez más el perfeccionamiento de los mecanismos utilizados. 2.2 Otras técnicas de clonación de genes Además de la tecnología del ADN recombinante, existen otros métodos de clonación de genes, como la técnica de la PCR (reacción en cadena de la polimerasa). Cuando la muestra de ADN es escasa, este método es más rápido y fácil de realizar que la técnica de los vectores. Se trata simplemente de colocar la muestra de ADN que se quiere amplificar en presencia de nucleótidos y ADN polimerasa. Mediante un aumento de la temperatura, se separan las cadenas del ADN original para permitir que cada una sirva de molde. Cuando baja la temperatura se permite la replicación de cada cadena. Con la repetición de este ciclo de calentamiento y replicación se pueden obtener fácilmente millones de copias. La técnica de la PCR permite obtener millones de copias de un pequeño fragmento de ADN mediante sucesivos ciclos de replicación. 3. El proyecto genoma humano La técnica original para la secuenciación del ADN fue desarrollada por F. Sanger en 1974, y se basa en el método de la terminación de la cadena. Consistía en añadir al medio de una hebra creciente de ADN, nucleótidos modificados de manera que cuando la ADN polimerasa los uniera, la síntesis de la hebra nueva se detuviera. Actualmente se utiliza una técnica basada en esta, que consiste en preparar una mezcla de reacción con nucleótidos normales además de una pequeña proporción de cada uno de los cuatro tipos de nucleótidos modificados, marcados con un colorante fluorescente de distinto color. La replicación se desarrollará hasta unir un nucleótido modificado. De esta forma el último nucleótido de cada fragmento replicado es conocido por su color, por lo tanto se tiene la certeza de cual es el nucleótido que se encuentra en esa posición en la cadena original. En la década de 1990 aparecen las máquinas secuenciadoras de ADN automatizadas y conectadas a ordenadores. La técnica que utilizan se basa en el método de terminación de la cadena de Sanger. Hoy en día, las potentes máquinas secuenciadoras pueden decodificar más de un millón y medio de bases en tan solo 24 horas. Gracias a ellas, los investigadores estudian las secuencias de nucleótidos de los genomas completos de organismos de muchas especies. Se denomina genómica a la secuenciación, interpretación y comparación de los genomas completos de muchas especies. Secuenciador automático de ADN La mayor parte de estas investigaciones comenzaron en 1990 con el proyecto genoma humano (PGH). Este proyecto consistía en una investigación a nivel internacional con la que se pretendía determinar la secuencia completa de nucleótidos del ADN humano, así como identificar, localizar y determinar la función de todos sus genes, que se estimaba entonces en torno a los 100 000. La secuenciación de los aproximadamente 3 000 millones de pares de bases que constituyen el genoma humano se completó en 2001. Actualmente se conoce que estos nucleótidos están distribuidos en tan solo unos 25 000 genes. Este número es considerablemente más bajo que el esperado en un principio y comparable al de especies mucho menos complejas que la nuestra, lo que pone de manifiesto que las diferencias de estructuras y comportamiento entre las especies no radica en el número de genes de las mismas. A día de hoy se ha determinado la localización de estos genes en los cromosomas, aunque aun se desconoce la función de casi la mitad de los mismos. El estudio de los genomas de diferentes especies permite comparar el número de genes de las mismas. Por otra parte la descodificación del genoma humano ha permitido obtener otras conclusiones. Gracias a la secuenciación del genoma humano se ha conocido que el 99,9% del ADN de nuestros genes es igual en todas las personas. También se ha determinado que los genes que codifican proteínas constituyen solamente el 1,5% del genoma total. Actualmente se desconoce exactamente su función, aunque se sabe que parte de ese ADN “sobrante” constituye secuencias reguladoras o de control, responsables de que los diferentes genes se expresen en las distintas células de nuestro organismo. En la actualidad los datos obtenidos hasta ahora sobre los genomas humanos y de otras especies existen en grandes bases de datos disponibles en Internet para poder ser consultados por toda la comunidad científica a nivel mundial. SABÍAS QUE Gracias a la secuenciación del genoma humano se deduce que organismos con una morfología y conducta compleja no tienen un número de genes especialmente grande. Al parecer ello se debe a que la secuencia de nucleótidos de un gen podría cortarse y empalmarse de distintas formas, pudiendo crear distintas proteínas a partir de un mismo gen. Que se formaran una u otras combinaciones dependerían de otros genes llamados genes reguladores, que serían muy diferentes en humanos y en otras especies. Según esta hipótesis los genes de las personas podrían ser capaces de dar lugar a 100 000 productos diferentes a partir de sus 25 000 genes. Si se confirmaran estos estudios podría pensarse que la evolución de las especies más complejas se habría debido a cambios (mutaciones) en esos genes reguladores. 3.1 Aplicaciones de la genómica Actualmente continúan las investigaciones sobre el genoma humano y sus aplicaciones en diferentes campos. Paralelamente los investigadores estudian además las secuencias de bases de los genomas de muchas especies. El desarrollo de estas investigaciones abre las puertas a nuevas actuaciones. La localización de genes de enfermedades genéticas humanas ha ayudado a la investigación en diferentes aspectos. Conocer la secuencia exacta de un gen significa conocer la proteína que codifica, lo que permite concretar por qué se produce una enfermedad. Además conocer la proteína defectuosa es útil para desarrollar los fármacos y tratamientos adecuados. Por otra parte estudiando el genoma de personas con antecedentes de enfermedades hereditarias, se pueden realizar diagnósticos precoces para su prevención. Además esta prueba es útil aunque la enfermedad se deba a un alelo recesivo, pues se puede determinar si una persona es portadora y por tanto conocer la probabilidad de transmisión a su descendencia. También se han desarrollado pruebas prenatales que permiten obtener células del feto al principio de la gestación, cultivarlas y aislar el ADN para su estudio. Basándonos en los resultados de estas pruebas se puede conocer si el bebé sufriría alguna anomalía genética. El análisis de muestras de ADN tiene también aplicación en el ámbito civil para la realización de pruebas de paternidad e identificación de restos óseos o de desaparecidos en catástrofes y guerras. Asimismo el análisis de ADN es determinante en investigación criminal. Combinado con la técnica de la PCR, pequeños fragmentos de ADN pueden servir para comparar las secuencias de nucleótidos que varían de unas personas a otras. Para comparar ADN este se fragmenta y se pasa por una corriente eléctrica que separa los fragmentos en bandas. El bandeado constituye la huella genética, y es exclusiva de cada individuo. Además, con la utilización de estas mismas técnicas se pueden amplificar pequeñas fracciones de ADN encontradas en restos fósiles que permiten conocer mejor especies extinguidas. Así ha sido posible realizar estudios comparativos entre nuestro ADN y el ADN de los fósiles de nuestros ancestros y establecer el grado de relación con nuestra especie. Por ejemplo, estudiando la secuencia de bases de un gen de ADN neandertal se comprobó que era diferente de la secuencia de bases del mismo gen de Homo sapiens, lo que apoya la hipótesis de que ambas especies nunca se mezclaron. Se pueden comparar secuencias génicas en diferentes especies y establecer grados de parentesco evolutivo entre ellas, por ejemplo comparando secuencias de genes que cumplen la misma función en distintas especies. Así, los estudios del gen que codifica la ADN polimerasa en levaduras, bacterias y humanos desvelan que este es casi idéntico en las tres especies. Ello se explica si todos descendemos de un ancestro común que tenía la misma secuencia para ese gen. Además de los genomas de numerosas especies, en la actualidad se sigue investigando el genoma humano para determinar la función de los genes que todavía se desconoce. Además, a medida que se conozca más, se desarrollarán más pruebas para detectar mayor número de enfermedades genéticas. Como estudiarás más adelante, el conocimiento del genoma humano combinado con la ingeniería genética abre las puertas de la investigación sobre nuevas terapias jamás planteadas hasta ahora. Los análisis de ADN tienen numerosas aplicaciones en medicina preventiva, paleontología, biología evolutiva o medicina forense. 4. Biotecnología Se denomina biotecnología al conjunto de técnicas que utilizan organismos vivos o sustancias derivadas de ellos para crear productos o procesos de interés comercial, industrial o para el medio ambiente. La biotecnología no es solamente lograr beneficios mediante la aplicación de las nuevas técnicas basadas en ingeniería genética. Muchos seres vivos son capaces de producir grandes beneficios al ser humano de manera natural. 4.1 Biotecnología tradicional En realidad muchos procesos biotecnológicos han sido utilizados desde la antigüedad, pues el ser humano se sirve desde siempre de organismos vivos en procesos tradicionales como fermentaciones, obtención de fármacos naturales, etc. Por ejemplo, la elaboración de bebidas alcohólicas como cerveza o vino, el pan o productos lácteos como el queso o el yogur, son procesos biotecnológicos muy importantes en la industria alimentaria en los que intervienen microorganismos como levaduras y bacterias. En la elaboración tradicional del pan se utiliza levadura para fermentar la masa y hacerla más esponjosa. Una de las más utilizadas es Saccharomyces cerevisiae. También en medicina desde siempre el ser humano ha hecho uso de plantas medicinales para obtener sustancias curativas. El uso de vacunas y antibióticos también se puede relacionar con la biotecnología. La vacunación consiste en administrar microorganismos muertos o atenuados, o parte de ellos, que no causan la enfermedad pero desencadenan la producción de defensas contra el patógeno. Por su parte los antibióticos son sustancias secretadas por microorganismos como ciertos hongos y algunas bacterias, que tienen la capacidad de actuar contra el desarrollo de otros microorganismos. La descomposición de la materia orgánica por parte de los microorganismos también es un proceso aprovechado por el ser humano, por ejemplo para hacer compost utilizable como abono. En el tratamiento y depuración de aguas residuales, la materia orgánica disuelta en el agua se descompone en el interior de grandes tanques por la acción de bacterias que la transforman en un producto sólido también aprovechable como abono, a la vez que se evita su vertido a la red fluvial. Por otra parte, muchos microorganismos son utilizados de manera natural en biorremediación, es decir, en procesos para restablecer las condiciones naturales en un medio alterado por contaminantes. Por ejemplo hay bacterias y hongos que intervienen en la descomposición de productos químicos como pesticidas o hidrocarburos. Estos microorganismos pueden ser aprovechados para controlar vertidos accidentales de petróleo en el mar. SABÍAS QUE La primera vacuna fue descubierta y usada para combatir la viruela por Edward Jenner en 1796, y debe su nombre al hecho de que los ordeñadores de la época que estaban en contacto con la viruela de vaca, pasaban esta enfermedad poco agresiva quedando inmunizados contra la viruela humana. Basándose en ello, en 1881 Louis Pasteur consiguió preparar la primera vacuna de bacterias atenuadas de la historia, y más tarde una contra el virus de la rabia, obtenida mediante sucesivas inoculaciones de este virus en conejos, que le permitió obtener extractos del virus menos virulentos. SABÍAS QUE Aunque Alexander Fleming recibió el Premio Nobel de Medicina en 1945 por los descubrimientos de la penicilina y la lisozima, el uso más remoto de los antibióticos hay que situarlo en China hace más de 2500 años. Entonces ya se sabía que la aplicación del moho de la cuajada de soja sobre ciertas infecciones aportaba beneficios terapéuticos. 4.2 Biotecnología basada en la Ingeniería Genética La biotecnología actualmente dispone de las herramientas y conocimientos para diseñar nuevos procesos en función de las necesidades del ser humano. La ingeniería genética ha pasado del laboratorio de investigación al laboratorio industrial, convirtiéndose en una de las herramientas indispensable en biotecnología. Aplicaciones en medicina Como ya has estudiado, la tecnología del ADN recombinante permite transferir genes humanos a bacterias para obtener sustancias. Del mismo modo descrito para la hormona del crecimiento humano, las bacterias se han convertido en máquinas de producir fármacos como la insulina para las personas enfermas de diabetes, proteínas de coagulación para los hemofílicos o interferón, sustancia aplicada en infecciones víricas, algunos tipos de cáncer o como tratamiento de la esclerosis múltiple. La técnica en todos los casos es similar: Localizar y aislar el gen que se quiere manipular mediante las enzimas de restricción. Seleccionar el vector (dependiendo de las características y el tamaño del ADN que se quiere clonar). Unión del ADN y el vector a través de las ligasas. Inserción del vector con el gen transferido en la célula hospedadora para que el gen se exprese y se sintetice la proteína correspondiente. Las bacterias transgénicas se cultivan en grandes cantidades. Aprovechando su altísima tasa de reproducción, actualmente es posible obtener grandes cantidades de proteínas que de forma natural se encuentran en pequeñísimas cantidades. También en la producción de nuevos antibióticos y vacunas se usan técnicas de ingeniería genética. Así, se ha conseguido modificar los genes de los microorganismos para conseguir antibióticos más potentes y alimentos que incorporan vacunas. Del mismo modo el ADN recombinante constituye una herramienta con la que investigar numerosas enfermedades. Los animales de laboratorio con síntomas de una determinada enfermedad humana proporcionan un modelo animal que permite a los investigadores realizar diferentes estudios de dicha enfermedad. Así por ejemplo, la introducción de un gen humano que produce cáncer en células de un conejo puede servir para poner a prueba posibles tratamientos antes de ser utilizados en los pacientes. Gracias a modelos animales se pueden desarrollar minuciosas investigaciones en medicina Uno de los objetivos más ambiciosos de la ingeniería genética es la terapia génica. Por una parte, el conocimiento del genoma humano permite estudiar los genes que producen enfermedades genéticas y analizar las diferencias entre los alelos de las personas sanas y enfermas. De otro lado, la ingeniería genética posibilita la modificación de los genes para que estos puedan producir proteínas correctas. La terapia génica es el tratamiento que pretende sustituir los genes defectuosos mediante la incorporación de alelos normales en el núcleo de las células del paciente. Como vector en células humanas los científicos utilizan virus. Cuando un virus entra en una célula humana, el ADN del virus se inserta en un cromosoma de la célula, por lo tanto, si se pueden introducir genes humanos correctos en el ADN del virus, este los colocará en un cromosoma de la célula a la que parasite. Sin embargo, aún existen problemas para introducir estos genes en el núcleo de las células del enfermo, en el sitio concreto para garantizar su correcta expresión y sin alterar el normal funcionamiento del resto del material genético. Además, los virus son causantes de muchas patologías humanas, por lo que antes de su introducción en la célula hay que eliminar los nucleótidos que causan la enfermedad, lo que a día de hoy aun conlleva riesgos. Esta técnica puede llevarse a cabo de dos formas, la más frecuente es actuando sobre un grupo de células extraídas del enfermo, que una vez transformadas se devuelven nuevamente al paciente. La otra forma es introduciendo directamente en el enfermo el vector que lleva el gen correcto para tratar le enfermedad. La primera aplicación con éxito de terapia génica se creó como tratamiento de un tipo de inmunodeficiencia. Este tipo de enfermedad se da en personas que no tienen sistema inmunológico normal y no pueden combatir patógenos, por lo que deben vivir en un entorno estéril (niños burbuja). La anomalía está causada por un gen que no codifica bien una proteína necesaria en el sistema inmunológico. En el año 2000 se trataron mediante esta técnica 10 niños, todos menores de 1 año. Se les extrajo células de su médula ósea, donde se producen las células del sistema inmunológico. A continuación se infectaron estas células con virus modificados con el gen que se quería introducir en ellas. Después seleccionaron las células que estaban produciendo la proteína correcta y la devolvieron al paciente. 9 de los 10 niños consiguieron sintetizar la proteína necesaria de forma correcta. En el futuro se espera que otras enfermedades como la fibrosis quística, la talasemia o algunos tipos de cáncer también puedan ser tratadas mediante terapia génica. RECUERDA QUE Los virus no se incluyen en ninguno de los cinco reinos de seres vivos. La razón es que son unas “formas de vida” muy especiales. Por una parte no presentan células, aunque sí ácidos nucleicos, lo cual hace que no puedan considerarse materia inerte. Pero por otro lado no realizan por sí solos las funciones vitales, sino que para reproducirse necesitan parasitar a otras células. Cuando un virus entra o se une a una célula, incorpora su ácido nucleico al ADN de la célula, para crear sus propias copias. Aplicaciones en plantas y animales La tecnología del ADN recombinante también se puede aplicar a plantas o animales para incorporar genes con nuevas características, que de manera natural no son propias de la especie. El uso se plantas genéticamente modificadas ha progresado rápidamente en los últimos años. Los objetivos suelen ser varios: Reducir la sensibilidad a los herbicidas en las plantas de cultivo. El uso de herbicidas a veces puede afectar negativamente al propio cultivo Para evitarlo se ha logrado una variedad de soja modificada genéticamente con un gen de una bacteria que determina la resistencia a herbicidas. De este modo, estos campos pueden ser fumigados con herbicidas que solo atacan a las malas hierbas, sin dañar el cultivo de interés. También se aplica en cultivos de maíz y trigo. Conseguir plantas resistentes al ataque de insectos. Existen cultivos de maíz transgénico al que se le ha transferido un gen bacteriano que fabrica una toxina. Estas plantas producen por sí mismas esta sustancia, de manera que cuando determinadas larvas se alimentan de maíz transgénico, mueren intoxicadas. Ello reporta el beneficio de no usar insecticidas químicos. Mejorar la calidad de los productos. Por ejemplo, se han obtenido variedades de soja o de colza modificadas genéticamente para que contengan un mayor porcentaje de ácidos grasos insaturados, más beneficiosos que los saturados (que contribuyen a la aparición de enfermedades cardiovasculares). También en este sentido se trabaja en la obtención de arroz dorado, rico en betacaroteno, sustancia precursora de la vitamina A. El betacaroteno producido de manera natural por el arroz se acumula en diversas partes de la planta, pero no en los granos. Exponiendo células embrionarias de arroz a bacterias que contienen plásmidos con los genes para sintetizar betacaroteno, se ha logrado que las semillas puedan acumularlo. La incorporación de estos y otros genes podrá mejorar los problemas nutricionales de buena parte de la población mundial. Se han obtenido alimentos transgénicos de otras especies vegetales con otras características como frutas más dulces o colores, olores o formas más atractivas para su comercialización. Desde el punto de vista económico resulta especialmente beneficioso haber conseguido frutas y hortalizas con procesos de maduración más lentos que garanticen su distribución en el mercado, o resistentes a condiciones extremas como heladas o sequías. Relacionados con los beneficios que la biotecnología aporta a la medicina, se están ensayando la incorporación de vacunas a vegetales como espinacas, plátanos o patatas. Ello solucionaría problemas como la producción o el almacenamiento de vacunas en países subdesarrollados, ya que estas requieren condiciones estériles y refrigeración difíciles de conseguir en determinados lugares . El tomate flavr-savr fue el primer alimento transgénico en comercializarse En la modificación genética de animales, la técnica se basa en la introducción de genes mediante una microinyección en un óvulo fecundado. Mediante este mecanismo se modifican animales para conseguir que resistan mejor determinadas condiciones ambientales, como los salmones que incorporan un gen de una especie procedente del ártico que resiste las bajas temperaturas; o que desarrollen un crecimiento más rápido, como las carpas modificadas con el gen de la hormona del crecimiento de la trucha arco iris; o animales más resistentes a enfermedades o que produzcan más leche o más carne y con menos grasa. Se han conseguido variedades de peces con el gen de la hormona de crecimiento de otra especie. Su rendimiento económico sería superior puesto que crecen el doble de rápido y alcanzan su tamaño final en la mitad de tiempo. En relación con la medicina se realizan investigaciones para obtener animales capaces de producir productos humanos, por ejemplo ovejas o vacas transgénicas cuya leche contiene proteínas humanas de coagulación, hormona del crecimiento o lactoferrina. También se trabaja en la cría de cerdos en cuyos órganos se expresan proteínas humanas y que luego pueden ser utilizados en trasplantes, minimizando el rechazo (xenotrasplantes). Aplicaciones en medio ambiente La ingeniería genética resulta útil en la lucha contra algunos problemas medioambientales. La ingeniería genética intenta combinar las características de varios microorganismos para conseguir una bacteria recombinante capaz de transformar muchos hidrocarburos diferentes, u obtener bacterias que pueden vivir en presencia de metales pesados y eliminarlos mediante diversas reacciones químicas (biorremediación). Por otra parte se investiga la obtención de cultivos transgénicos (maíz o caña de azúcar entre otros), diseñados para la producción óptima de biocombustibles como son el etanol y el biodiesel, que se perfilan como recurso energético alternativo a los combustibles fósiles. 4.3 Clonación Clonación es cualquier proceso por el que se consiguen copias idénticas de un organismo, de una célula o de una molécula. La clonación sucede de forma natural cuando un organismo se reproduce asexualmente; y también se da en las personas, los gemelos univitelinos son clones naturales, pues derivan de un embrión que se divide en dos en una fase muy temprana del desarrollo. Ambos hermanos poseen copias idénticas de ADN pues proceden del mismo óvulo y del mismo espermatozoide. Pero la clonación también puede ser provocada en un laboratorio. Ya has estudiado como se lleva a cabo la clonación de genes, lo que posibilita por ejemplo la obtención de grandes cantidades de ciertas proteínas humanas en microorganismos. Además, en los últimos años se han desarrollado técnicas que permite la clonación a partir de células madre. Células madre Las células madre son células no especializadas que pueden dividirse y dar lugar a otros tipos celulares especializados. Todos los animales y vegetales las poseen. Las investigaciones en este campo se basan en dos tipos de células madre, las embrionarias y las adultas. Las células madre embrionarias se obtienen de óvulos fecundados in vitro que no han sido utilizados en terapias de infertilidad, o bien de embarazos interrumpidos. Su uso provoca un fuerte debate en la sociedad por la utilización de embriones humanos potencialmente viables. Las células madres adultas se pueden obtener de tejidos de un cuerpo adulto, por ejemplo de la medula ósea (interior de los huesos), aunque actualmente se conoce que en el ser humano existen células madre prácticamente en cualquier tejido (cerebro, tejido adiposo, piel, etc). La vía de las células madre adultas es la de mayor interés en la actualidad, pues distintos estudios han demostrado que estas tienen una potencialidad mayor que la que se pensaba hasta ahora. De uno u otro origen, la clonación de células madre aplicada a la medicina consistiría en el cultivo in vitro de estas células para obtener tipos celulares diferenciados con fines terapéuticos. Existen muchas áreas de la medicina en las que la investigación de células madre podría tener un impacto significativo, por ejemplo en enfermedades o lesiones en las que las células o el tejido del paciente se hayan destruido. Con la capacidad de regeneración de estas células se podrían llegar a regenerar los tejidos lesionados en un paciente. Sin embargo, aún se está lejos de llegar a la clonación terapéutica con células humanas, y antes deberá avanzar mucho su estudio en otros mamíferos. Clonación de organismos Los animales clónicos se pueden conseguir separando células embrionarias o implantando un núcleo en un óvulo al que se ha extirpado el suyo. El primer mamífero clonado del mundo a partir de una célula adulta ya diferenciada se consiguió en 1996. Para ello tomaron una célula de la glándula mamaria de una oveja y le extrajeron su material genético (núcleo donante). Este se insertó en el óvulo de otra oveja adulta al que se le extrajo su núcleo (óvulo enucleado), el cual se sustituyó por el núcleo donante. La fusión se logró mediante choque eléctrico. El óvulo empezó su transformación en un embrión. Por último, transfirieron el embrión al útero de otra oveja donde tuvo lugar la gestación. Varios meses más tarde nació Dolly, que poseía el mismo material genético que la oveja donante del núcleo. Después de Dolly se han clonado muchos otros mamíferos. En el ámbito humano este tipo de técnicas no persigue la creación de un individuo, (la clonación de seres humanos no está permitida). Estas técnicas van encaminadas a la obtención de material para autotrasplantes. El proceso consistiría en transferir el núcleo de una célula del adulto a un óvulo enucleado. Esa célula obtenida se cultiva y se estimula para su diferenciación en los tejidos deseados. Al obtener órganos con la misma carga genética que los pacientes, se lograría evitar los rechazos. Otro tipo de aplicación de la clonación podría encaminarse a la obtención de productos con fines económicos. Por ejemplo, de una vaca que sea muy buena productora de leche se podrían clonar sus embriones e implantarlos en otras vacas de las que nacerían crías con los genes de la vaca productora. Por otra parte, en España se han hecho intentos de recuperar especies extinguidas mediante clonación. Por ejemplo, en el año 2000 se extinguió el bucardo (Capra pyrenaica pyrenaica). Antes de su muerte, el gobierno de Aragón había conseguido extraer células de la oreja del último ejemplar que vivió en España. Posteriormente fueron cedidas a una empresa de biotecnología que ha intentado, sin éxito hasta la fecha, lograr que sobreviva algún individuo. 5. Repercusiones de la biotecnología genética A medida que el desarrollo de la biotecnología y de la ingeniería genética han abierto puertas hacia la esperanza de la curación de muchas enfermedades, o hacia la obtención de sustancias de interés económico, las técnicas utilizadas para ello despiertan algunas incertidumbres sobre los riesgos que conllevan. Así los organismos genéticamente modificados son objetos de muchas dudas por parte de algunos sectores de la sociedad, y muchas personas opinan que los alimentos transgénicos pueden contener sustancias que produzcan toxicidad o alergias. Las posibles repercusiones en el medio ambiente también provocan reticencias. Se teme que plantas transgénicas puedan invadir ecosistemas naturales y desplazar plantas autóctonas por ser más resistentes que ellas. También preocupa que accidentalmente los genes se transfieran de unas especies a otras, originando proliferaciones de organismos indeseados imposibles de controlar, como malas hierbas resistentes a herbicidas o bacterias patógenas resistentes a antibióticos. Para asegurar que no lleguen a darse este tipo de desastres en la Unión Europea existe una estricta normativa que establece los controles que se han de seguir en la experimentación y liberación al medio natural de organismos genéticamente modificados. En cuanto a su comercialización, la sociedad reclama mayor información en este tema para poder decidir libremente sobre su consumo. Mientras parte de la sociedad aboga por un etiquetado adecuado para los productos transgénicos, muchos científicos y gobernantes piensan que este etiquetado solo incrementaría la ansiedad pública sobre una tecnología que se considera segura. Por otra parte, el conocimiento del genoma humano plantea fuertes debates sociales, como por ejemplo los diagnósticos de enfermedades de distinta índole en el feto. También las aplicaciones de la ingeniería genética a la medicina pueden acarrear problemas éticos. Así la terapia con hormona del crecimiento se puede usar para estimular el crecimiento de niños de baja estatura sin déficit real de hormona. Aunque ello es ventajoso, a la larga la posibilidad de interferir en las características de los hijos y la obtención de seres humanos modificados puede conducirnos a una sociedad que discrimine a las personas en función de su físico. De otro lado las pruebas genéticas también suscitan dilemas morales y legales, por ejemplo, ¿qué opciones tendría en el mercado laboral una persona de la que se conoce que va a padecer una enfermedad genética incurable? Todas estas cuestiones deben ser evitadas mediante legislaciones que conjuguen el avance en las investigaciones científicas con el respeto a la dignidad, a los derechos humanos y a las libertades fundamentales. El Comité Internacional de bioética de la UNESCO vela por que el desarrollo de cualquier actividad relacionada con la ingeniería genética asegure la dignidad y los derechos de los seres humanos y el equilibrio ecológico de nuestro planeta.
