Ingeniería Genética

La ingeniería genética, también conocida como tecnología del ADN recombinante, consiste en fabricar y manipular fragmentos de ácidos nucleicos y genes que después se introducen en células de organismos de cualquier especie. Para ello, se utilizan diferentes tecnologías de edición genética, con el objetivo de modificar su información genética de la forma deseada.

Se obtienen así los organismos genéticamente modificados (OGM), organismos cuyo material genético es modificado mediante técnicas de ingeniería genética. Si la modificación consiste en insertar material genético de un organismo en otro diferente, entonces ese OGM es un organismo transgénico.

Organismo Transgénico

Un organismo transgénico es aquel que tiene, en su material genético, ADN de otro organismo diferente. Es el que se desarrolla a partir de una célula en la que se ha introducido un fragmento de ADN de otro, integrándolo en su genoma. Es uno de los tipos de OGM.

• Si la célula receptora del ADN externo es un organismo unicelular (bacteria), todos sus descendientes tendrán el gen introducido a la primera célula.
• Si la célula receptora es un cigoto, todas las células del organismo pluricelular al que da lugar tendrán el gen introducido. Se obtienen así las plantas y animales transgénicos.

Herramientas y Técnicas utilizadas en Ingeniería Genética

Tecnología del ADN Recombinante

Tiene como finalidad la clonación celular de fragmentos de ADN, es decir, introducir un gen de interés en células hospedadoras, generalmente bacterias, para que se replique dentro de ellas. Se trata de técnicas que permiten unir dos fragmentos de ADN de diferentes fuentes.

Un ADN recombinante es entonces un fragmento de ADN obtenido artificialmente por la unión de dos fragmentos de orígenes distintos. En este caso, esta técnica se aplica a un microorganismo, por lo que se obtiene un microorganismo recombinante: aquel cuyo material genético ha sido modificado mediante la tecnología del ADN recombinante.

Esta tecnología utiliza dos herramientas principales:

• Enzimas de restricción: reconocen secuencias concretas de ADN y lo cortan en ese lugar.
• ADN ligasa: enzima que une los segmentos de ADN cortados.

Enzimas de Restricción: Las Tijeras Moleculares

Son endonucleasas, enzimas capaces de romper los enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos. Su utilidad deriva de su gran especificidad: reconocen secuencias de ADN concretas, de cuatro a ocho bases, denominadas sitios de reconocimiento o de restricción. Los sitios de restricción suelen ser secuencias palindrómicas y actúan como dianas para las enzimas de restricción. Estas cortan las dos cadenas y pueden dejar dos tipos de extremos: extremos romos o bien extremos cohesivos.

• Si el corte se produce justo en el centro de simetría de la secuencia palindrómica, los fragmentos resultantes presentan extremos romos.
• Si el corte se produce escalonado, se generan extremos con bases desapareadas, denominados extremos cohesivos. En las condiciones apropiadas, dos moléculas de ADN cortadas con la misma enzima de restricción, que deje extremos cohesivos, pueden unirse de modo permanente, al interaccionar y aparearse las bases de sus extremos, añadiendo la enzima ADN ligasa, que cataliza la formación del enlace fosfodiéster.

La Tecnología del ADN Recombinante emplea los siguientes materiales:

• Inserto: gen de interés que se desea clonar.
• Vector de clonación: molécula de ADN a la que se une el inserto y que facilita su entrada en las células hospedadoras y la posterior replicación.
• Enzimas de restricción: con las que cortar el inserto y el vector, de modo que queden ambos con extremos cohesivos.
• Enzima ADN ligasa: une definitivamente el vector y el inserto.
• Células hospedadoras: en las que se producirá la replicación del ADN recombinante.

Procedimiento de Clonación Celular de ADN mediante Tecnología del ADN Recombinante

La clonación molecular se refiere a la clonación de ADN: la generación de muchas copias idénticas de un fragmento concreto de ADN. Es posible gracias a la técnica del ADN recombinante. Para ello se utilizan vectores de clonación.

Vectores Génicos

Son moléculas de ácidos nucleicos que sirven para introducir determinados genes, o fragmentos de ácidos nucleicos, en una célula. El material genético a introducir y el vector deben tener extremos cohesivos, formándose entre ellos un ADN recombinante.

Tipos

• Ácidos nucleicos de virus bacteriófagos o fagos: se utilizan cuando el fragmento de ADN que se quiere clonar es de mayor tamaño que el que puede transportar un plásmido. Por ejemplo, el fago λ. El ADN recombinante se introduce en las cabezas del fago in vitro. Los fagos como vectores tienen como ventajas que pueden llevar insertos de mayor tamaño que los plásmidos y que son mucho más eficientes penetrando en las células hospedadoras.
• Los plásmidos: son moléculas de ADN circular de doble cadena, extracromosómico, presentes en las bacterias, que se replican independientemente del cromosoma principal; puede haber múltiples copias en una célula. Presentan genes de resistencia a antibióticos que actúan como marcadores y facilitan la detección y selección de los clones que los contienen. En la naturaleza, se transmiten de una bacteria a otra por conjugación; en el laboratorio, pueden introducirse en las bacterias por transformación.
• Cromosomas artificiales: permiten clonar grandes segmentos de ADN eucariota. Por ejemplo, los YAC (cromosomas artificiales de levaduras), previamente preparados a los que se les quita unas partes y se les añade otras.

En el caso de los plásmidos, el proceso es el siguiente:

1. Selección del gen: se extrae el ADN de la célula donde esté el gen que interese clonar.
2. Inserción en un vector (plásmido): se cortan los ADN con la misma enzima de restricción y se unen los fragmentos por sus extremos complementarios.
3. Clonación del gen:
   1. Se introduce el vector con el ADN preparado en las bacterias que se cultivan para su reproducción.
   2. Se seleccionan las células que han adquirido el gen deseado.
   3. Se cultivan para que se multipliquen. Cada vez que estas células se vayan a dividir duplicarán su ADN y harán lo mismo con el gen insertado. De esta forma se obtienen múltiples copias del fragmento inicial de ADN.
4. Obtención del producto: esto se usa para obtener muchas copias de un gen o para que se produzca su proteína en grandes cantidades por las células o por un organismo modificado genéticamente. Como ejemplo, puede interesar clonar el gen de la insulina humana para así tener una gran cantidad de bacterias con este gen, de forma que estas fabriquen esta proteína al inducírseles a que transcriban y traduzcan el gen clonado.

Los productos obtenidos por ingeniería genética se producen en mayores cantidades, son más baratos y más accesibles a un mayor número de personas. Las hormonas obtenidas son idénticas a las fabricadas por el organismo humano, por tanto, no se producen alergias y no contienen otros tipos de sustancias o microorganismos contaminantes; esto último también ocurre con las vacunas obtenidas de esta forma.

Células Hospedadoras

Deben ser de crecimiento rápido, no ser patógenas y favorecer la entrada del ADN recombinante. Las más utilizadas son células procariotas como Escherichia coli o Bacillus subtilis; o bien células eucariotas como la levadura Saccharomyces cerevisiae.

Principales Aplicaciones del ADN Recombinante

• Introducir genes en microorganismos para producir proteínas.
• Elaborar genotecas.
• Producir organismos transgénicos, con características aportadas por el gen que se inserta (plantas resistentes a plagas).

La Tecnología “CRISPR” o “CRISPR-Cas9”

Principal avance científico del año 2015, que permite editar el ADN de cualquier célula de forma sencilla. Trata de utilizar unas herramientas que se dirigen a una zona elegida del ADN y la cortan, para posteriormente modificar algún aspecto de esa parte del material genético (eliminar o introducir genes).

• Las siglas CRISPR proceden del inglés Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats: Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas. Cas hace referencia a una endonucleasa, enzima que corta el ADN. Esta tecnología deriva de la función de esas secuencias repetitivas descubiertas en bacterias.
• Originalmente, esas secuencias están presentes en el ADN de bacterias y constituyen un sistema inmunitario en procariotas al proteger de agentes externos como bacteriófagos y plásmidos. La protección consiste en que esas secuencias sirven para reconocer las de los agentes infecciosos y dirigir una endonucleasa para que destruya su ADN, evitando así la infección.
• Esta tecnología se está utilizando para la edición de genes, constituyendo actualmente la herramienta más potente para ello, ya que, mediante el uso de ARN guías y la nucleasa Cas, permite eliminar o introducir genes en una célula.

La Proteína Cas9

Es una endonucleasa, un enzima que corta la cadena de ADN, actuando como unas tijeras moleculares. Para que Cas9 se dirija al lugar del ADN elegido y lo corte, se le une un ARN guía. Cas9 se dirigirá así, guiada por el ARN, al lugar exacto del ADN y lo cortará, para poder después eliminar o introducir genes.

Aplicaciones de CRISPR-Cas

Son amplísimas, pues podría utilizarse en casi cualquier situación en la que se necesite modificar el material genético. En terapia génica, se podrían corregir enfermedades de base genética y combatir el cáncer. En agricultura y ganadería, se podrían generar variedades equivalentes a las de los transgénicos. En transmisión de enfermedades, se podrían modificar rápidamente poblaciones enteras, por ejemplo, de mosquitos, para que no transmitan enfermedades como la malaria. En investigación, permite ya estudiar, en animales, enfermedades humanas. Entre las aplicaciones presentes y futuras están:

• Obtener células madre con diferentes características.
• Animales y plantas modificados genéticamente destinados a la investigación o a la industria agroalimentaria.
• Eliminación de mutaciones en embriones.
• Producción de nuevos fármacos.
• Tratamiento de enfermedades humanas.

PCR: Concepto y Aplicaciones

PCR: “Polymerase Chain Reaction” (reacción en cadena de la polimerasa). El objetivo es obtener muchas copias de un segmento de ADN. Se utiliza ADN polimerasa, enzima que replica el ADN. Así, a partir de una pequeña cantidad se consigue suficiente ADN para realizar alguna prueba en alguna de sus aplicaciones.

• Identificar personas (análisis forenses, pruebas de paternidad).
• Identificar bacterias o virus patógenos (diagnóstico de enfermedades infecciosas): si el ADN a identificar estaba presente en la muestra, se habrá multiplicado y se detectará, dando un resultado positivo.
• Diagnóstico de trastornos genéticos.

Los Elementos necesarios son:

• ADN muestra.
• Taq polimerasa: polimerasa utilizada por ser termorresistente.
• Cebador, primer o sonda: secuencia de ADN sintetizado para proporcionar un punto de partida a la ADN polimerasa.
• Nucleótidos: para generar las copias de ADN.

Los Pasos son:

1. Desnaturalización: la temperatura de la muestra se eleva para desnaturalizar el ADN, para separar sus dos cadenas.
2. Hibridación de los ácidos nucleicos: la muestra se enfría para que los cebadores puedan unirse a sus secuencias complementarias de la cadena sencilla de ADN.
3. Extensión: la Taq polimerasa sintetiza las cadenas complementarias de ADN a partir de los cebadores. Este ciclo se repite muchas veces para obtener millones de copias del ADN muestra en unas pocas horas.

Terapia Génica

Consiste en introducir uno o más genes para tratar, prevenir o curar una enfermedad, introduciendo formas sanas de un gen que está dañado, o reemplazando el gen defectuoso por una versión sana del mismo. Hasta el desarrollo de la tecnología CRISPR, la terapia génica utilizaba como vectores virus modificados, aprovechando su capacidad para seleccionar e introducir su material genético en las células diana. La terapia puede realizarse in vivo (directamente en el paciente) o ex vivo (extrayendo células del paciente que son modificadas en el laboratorio y reintroducidas en el paciente).

La edición génica mediante CRISPR-Cas9 presenta ventajas respecto a la tecnología anterior, tales como: gran facilidad de modificación, reducir la respuesta inmunitaria adversa y el riesgo de que se modifique el ADN en posiciones no deseadas.

Ejemplo de Aplicación de la Terapia Celular con iPS combinada con la Terapia Génica mediada por CRISPR-Cas9

La distrofia muscular de Duchenne es una enfermedad degenerativa, que causa debilidad progresiva de la musculatura debido a que no se produce proteína distrofina funcional, esencial para mantener los músculos sanos. El origen es una mutación en el gen que codifica esta proteína, el gen DMD, localizado en el cromosoma X. A partir de fibroblastos del paciente, se busca obtener células madre pluripotentes inducidas, en las que se corrige mediante CRISPR-Cas9 el gen DMD, para lograr células madre que produzcan distrofina funcional.

Biotecnología: Importancia y Repercusiones

Concepto de Biotecnología

La biotecnología consiste en la aplicación de tecnología utilizando sistemas biológicos para fines prácticos e industriales. Utiliza tanto seres vivos como sus componentes: células y biomoléculas. Se obtienen productos como alimentos, bebidas, fármacos, plásticos, disolventes, detergentes… y servicios como terapias, depuración de aguas, recuperación de especies.

La microbiología abarca el estudio de los microorganismos incluidos en los reinos moneras, protoctistas y hongos, además de formas acelulares como virus, viroides, plásmidos y priones.

Aplicaciones de la Biotecnología

La biotecnología utiliza sistemas biológicos y organismos vivos –o derivados– para crear o modificar procesos o productos para usos específicos. Las principales aplicaciones de la biotecnología se centran en cinco áreas: biosanitaria, agrícola, ambiental, industrial y marina.

Aplicaciones en Medicina

Destacan las siguientes:

A. Obtención de Fármacos

Síntesis de antibióticos, hormonas, antígenos, anticuerpos, vacunas o interferón, utilizando microorganismos recombinantes: por ingeniería genética, se implanta el gen humano responsable de la síntesis de una sustancia en el ADN de un microorganismo, de forma que el clon de células resultantes fabrique esa sustancia.

B. Diagnóstico de Enfermedades

La biotecnología ha permitido grandes avances en el diagnóstico de enfermedades, tanto en las de origen genético como en las causadas por microorganismos. En relación con las de origen genético, se han identificado las causas genéticas de más de 3000 enfermedades. Detectar una mutación de riesgo, como en el caso del cáncer, ayudará a tomar medidas preventivas. Conocer las causas genéticas de enfermedades sirve también para prevenir su transmisión a la siguiente generación, recurriendo al consejo genético. La secuenciación del ADN y la elaboración de bases de datos facilitan el diagnóstico. Se puede analizar la secuencia de un gen concreto si se sospecha de una enfermedad monogénica, de un panel de genes implicados en una determinada dolencia (por ejemplo, en el cáncer). El conocimiento del genoma y el proteoma humanos ha sido clave para detectar y tratar múltiples alteraciones.

La biotecnología también es clave para el diagnóstico de enfermedades microbianas. Mediante el análisis de su ácido nucleico, se puede determinar con precisión de qué microorganismo se trata, así como detectar las nuevas variantes.

C. Terapia con Células Madre

Las células madre pluripotentes inducidas (iPS) son células adultas modificadas genéticamente, sometidas a un proceso de desdiferenciación, para que se comporten como células madre embrionarias y recuperen la capacidad de formar todos los tipos de células.

D. Terapia Génica

E. Medicina Forense

Las pruebas de ADN permiten la identificación de restos humanos en catástrofes, exhumaciones de fosas, escenas de crímenes, restos arqueológicos, etc. La PCR permite amplificar muestras muy pequeñas y disponer de material suficiente. También se utiliza el ADN en pruebas de paternidad, para determinar parentescos y en estudios evolutivos.

Aplicaciones en Agricultura y Ganadería

En agricultura, mediante ingeniería genética se puede conseguir:

• Mayor rendimiento de los cultivos.
• Resistencia a herbicidas, plagas, sequía o enfermedades.
• Creación de variedades nuevas. Arroz dorado.
• Control biológico de plagas utilizando bacterias modificadas genéticamente para que actúen como insecticidas biológicos.

En ganadería se busca:

En los animales modificados genéticamente se ha buscado mejorar la producción, la calidad de la carne o la leche, la resistencia a enfermedades, a condiciones ambientales adversas. También se producen animales transgénicos productores de fármacos o con determinadas mutaciones para servir de modelos en el estudio de enfermedades. Por ejemplo, los cerdos se utilizan como modelos de enfermedades para los humanos porque su anatomía y fisiología se parecen mucho más a las de los humanos que los ratones (modelo habitual en laboratorios). Cerdos modificados genéticamente pueden ayudar a comprender mejor el mecanismo de carcinogénesis en humanos, ser utilizados para probar nuevos tratamientos o para generar órganos para trasplante.

Aplicaciones en Medio Ambiente

Destaca la biorremediación: utilización de organismos en la mejora del medio ambiente, sobre todo para eliminar o neutralizar contaminantes:

• Se utilizan, sobre todo, microorganismos que degradan contaminantes al utilizarlos para su metabolismo. También se pueden utilizar enzimas.
• Por ejemplo, bacterias y hongos para degradar petróleo de los vertidos de crudo -mareas negras- o pesticidas del suelo. Algunas bacterias y hongos degradan, de forma natural, hidrocarburos o sustancias utilizadas como pesticidas, al utilizarlos para su metabolismo y transformarlos en productos menos tóxicos. Se utilizan bacterias desnitrificantes para mitigar el exceso de nitratos en el agua. En algunos casos, se modifican genéticamente (OGM) para que resistan condiciones concretas (temperatura, concentración salina, etc.).
• Se utilizan bacterias y algas para la depuración de aguas residuales. Los residuos sólidos orgánicos y los de los fangos de las depuradoras pueden ser fermentados por microorganismos -compostaje-, formando un material rico en nitrógeno, utilizable como fertilizante.
• La lixiviación microbiana o bioloxiviación consiste en la extracción de metales a partir de minerales utilizando microorganismos (bacterias y hongos), en explotaciones mineras, evitando así el uso de compuestos químicos contaminantes para el mismo proceso.
• La bioacumulación es un método para evaluar la calidad del aire cuantificando, mediante procesos químicos, la acumulación de sustancias contaminantes en los tejidos de líquenes y musgos.
• Control biológico de plagas utilizando bacterias modificadas genéticamente o patógenos naturales, para que actúen como insecticidas biológicos. De esta forma, se utilizan menos fitosanitarios (plaguicidas).
• En otros casos, se pueden modificar genéticamente algunas bacterias (OGM) para que sean capaces de fijar ciertos metales contaminantes en su superficie (bioadsorción).

Aplicaciones Industriales

La biotecnología industrial tiene como objetivo optimizar los procesos industriales de diferentes sectores con el fin de obtener productos biodegradables, cuya producción requiera menos energía y genere menos residuos; de esta manera, se reduce el impacto ambiental.

Algunas herramientas biotecnológicas son: las enzimas, los microorganismos, las líneas celulares, las fermentaciones, las materias primas de origen renovable y los productos biodegradables, entre otros. Actualmente, la biotecnología se aplica a sectores industriales como la cosmética, la alimentación, los combustibles y las sustancias químicas. Proporciona aditivos, detergentes, biocombustibles, bioplásticos, nuevos tejidos, etc. La elaboración de alimentos como pan, yogur y queso y de bebidas como la sidra, la cerveza y el vino viene realizándose desde hace siglos y se basa en el aprovechamiento de ciertos procesos llevados a cabo por microorganismos que alteran, con su metabolismo, unos productos (harina, leche, zumo de fruta, cereal) transformándolos en los indicados anteriormente.

Elaboración de Pan, Cerveza, Sidra y Vino

• Se utilizan levaduras del género Saccharomyces, que llevan a cabo procesos fermentativos.

Elaboración del Pan

Las levaduras consumen la glucosa del almidón presente en la harina para producir energía, por la vía fermentativa. El CO₂ proporciona esponjosidad y el alcohol se evapora en la cocción.

Elaboración de Vino y Sidra

Las levaduras consumen los azúcares presentes en los mostos de las frutas correspondientes. El CO₂ se desprende y se pierde y el etanol proporciona el contenido alcohólico.

Elaboración de la Cerveza

El proceso es similar al anterior, pero los azúcares fermentados proceden de un cereal y el recipiente es cerrado para que el CO₂ permanezca en la bebida, haciéndola gasificada.

Elaboración de Yogur y Queso

• Se utilizan bacterias lácticas (generalmente presentes en la leche, especialmente de los géneros Lactobacillus y Streptococcus), que llevan a cabo la fermentación láctica al metabolizar los azúcares de la leche (lactosa), lo que produce ácido láctico que acidifica el medio (aumenta el pH). Esa acidificación provoca la desnaturalización de las proteínas de la leche (caseína), que acaban coagulándose, lo que convierte la leche en una masa semisólida.

Elaboración del Yogur

Se lleva a cabo el proceso anterior para obtener el producto directamente de la leche modificada por las bacterias.

Elaboración del Queso

Se lleva a cabo el mismo proceso de fermentación láctica, pero en este caso, una vez coaguladas las proteínas de la leche, se procede al desuerado, por el que se retira la parte líquida.