Biotecnología

Es la rama de la ciencia que se dedica al desarrollo de procesos tecnológicos en los que se usan organismos vivos o sus componentes para desarrollar diversas aplicaciones; esto implica el uso de diferentes sistemas biológicos que pueden ser de varios tipos:

Componentes Biológicos

• Componentes biológicos inertes: son moléculas biológicas que no tienen capacidad de replicación, como los enzimas y complejos enzimáticos que catalizan reacciones con numerosas aplicaciones en la industria, las proteínas que funcionan como antígenos, el ARN que codifica para proteínas y que son producidos por la célula y lípidos que sirven como vehículo de transporte de otras sustancias.
• Organismos vivos: se usan para producir o transformar determinadas sustancias y son microorganismos que se cultivan en condiciones controladas, aunque se liberan al medio para ejercer su función, y también se usan organismos más complejos que se cultivan en el medio natural. Pueden ser organismos naturales, aislados del medio y seleccionados sobre la base de determinadas características o organismos modificados genéticamente para mejorar o adquirir una característica deseada.
• Sistemas biológicos: y sus sistemas macromoleculares complejos con capacidad de replicación y de transformación génica, como los virus que suelen utilizarse como vectores virales.

Ingeniería Genética

Es el conjunto de técnicas que permiten la manipulación y la modificación del ADN, así como su transferencia de unos organismos a otros.

Conceptos Clave

• OMG: organismo modificado genéticamente, cuya información genética fue modificada mediante la inserción, mutación o deleción de una determinada secuencia de su material genético.
• Organismo transgénico: organismo modificado genéticamente al que se le introduce un gen que no pertenece a su genoma original.
• ADN recombinante: secuencia de ADN híbrida, resultante de la unión de dos secuencias de ADN de diferente procedencia, que se unen por la acción de una ADN ligasa o mediante recombinación entre ellos.
• Enzima de restricción: enzima que cataliza el corte de la molécula del ADN en una secuencia específica que la enzima puede reconocer.
• ADN ligasa: enzima que cataliza la unión de dos fragmentos del ADN.
• Vector de clonación: molécula de ADN, capaz de replicarse dentro de una célula en la que se introduce otro fragmento de ADN de interés creando una molécula de ADN recombinante. Los vectores más comunes son los plásmidos.
• Clonación: generación de individuos genéticamente idénticos, que puede ser de dos tipos: la clonación de moléculas de ADN recombinante y la clonación de organismos complejos de reproducción sexual.
• Gen marcador: gen que se usa para seleccionar los organismos modificados genéticamente, diferenciándolos de aquellos que no fueron modificados, mediante el crecimiento en un medio selectivo.
• Secuenciación: determinación de la secuencia de nucleótidos de un fragmento de ADN.

Técnicas de Ingeniería Genética

PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa)

Fue creada por Kary Mullis y usa ADN polimerasa para amplificar muchas copias de un fragmento de ADN. Usa altas temperaturas para separar las dos cadenas de la doble hélice del ADN y requiere ADN polimerasa termoestable como la ADN polimerasa Taq. También necesita cebadores, que son dos oligonucleótidos que se unen a cada una de las cadenas molde del ADN y que señalan los extremos de la secuencia que será copiada por la ADN polimerasa. Se requiere, por último, desoxirribonucleótidos de cada tipo, una solución con un tampón de pH e iones que actúen como cofactores de las enzimas. El proceso se lleva a cabo en un termociclador, donde se introducen todos los elementos de la reacción y que permite un ciclo con tres etapas:

1. Desnaturalización: se sube la temperatura a unos 95 °C durante 15 segundos para romper la estructura secundaria y separar las dos cadenas complementarias del ADN que se quiere amplificar.
2. Alineamiento o unión de los cebadores: se baja la temperatura hasta la óptima para que se produzca la unión de los cebadores, que sería unos 55 °C durante 15 segundos.
3. Elongación: se vuelve a subir la temperatura hasta unos 72 °C para que la ADN polimerasa pueda trabajar durante un tiempo de entre 30 segundos y varios minutos, que depende de la longitud del ADN que se amplifica. Se duplican las cadenas existentes en la solución y se produce una amplificación exponencial del ADN.

Secuenciación de Ácidos Nucleicos

Permite conocer la secuencia de nucleótidos de un fragmento de ADN. Desarrollada por Sanger en 1977. A partir de un fragmento de ADN de cadena simple, obtenido por desnaturalización de una doble hélice o por retrotranscripción de un ARN, se lleva a cabo una síntesis controlada de una cadena complementaria. Se emplea la ADN polimerasa, un cebador marcado, los cuatro desoxirribonucleótidos necesarios para la síntesis y 4 didesoxirribonucleótidos que carecen del grupo hidroxilo del carbono 3′ y que, por eso, cuando se incorporan a la cadena de ADN en crecimiento, detienen la reacción.

Pasos:

1. Preparación de las cuatro reacciones: Se preparan cuatro reacciones similares para sintetizar el ADN que se quiere secuenciar, con el cebador añadido, con los desoxirribonucleótidos y con la ADN polimerasa, pero con un didesoxirribonucleótido diferente en cada una.
2. Reacción de polimerización: En cada tubo, la ADN polimerasa comienza la copia del ADN molde a partir del cebador. El didesoxirribonucleótido presente en ese tubo se incorporará al azar en algún momento del proceso y la síntesis parará en ese punto, dejando un fragmento de ADN de cierta longitud. Al repetirse el proceso, se producen muchos fragmentos de la copia de ADN, de diferente longitud dependiendo de los puntos de parada.
3. Análisis de los fragmentos: Se realiza una electroforesis de cada una de las cuatro reacciones, de forma que los distintos fragmentos migrarán más o menos en el gel según su longitud. Si se superponen las cuatro electroforesis, se puede determinar la secuencia del ADN sintetizado, que será complementaria a la del ADN problema.

Secuenciación Masiva

Se ha optimizado y automatizado para realizarse en máquinas capaces de secuenciar numerosos fragmentos de ADN al mismo tiempo. Permite secuenciar genomas completos partiéndolos en fragmentos manejables que se amplifican mediante PCR. Las cuatro reacciones se llevan a cabo en el mismo contenedor gracias al empleo de diferentes marcadores fluorescentes para cada didesoxirribonucleótido. Los fragmentos resultantes muestran diferente color en la electroforesis y un analizador bioinformático va detectando y solapando estos fragmentos y componiendo la secuencia completa del ADN original como si se tratase de un rompecabezas.

Obtención de ADN Recombinante

El ADN recombinante se consigue al introducir una secuencia de ADN de un organismo en otro organismo que carece de esa secuencia y que pasa a ser un organismo transgénico. Las secuencias de ADN que se introducen en los organismos son genes que se quieren caracterizar o analizar, genes que codifican para proteínas con aplicaciones importantes o que les proporcionan mejoras a los organismos transgénicos a los que se les insertan. Una vez seleccionados el gen que se quiere insertar y el organismo en el que será introducido, la obtención del ADN recombinante se lleva a cabo en varias etapas:

1. Se realiza una ruptura de las células que contienen el gen de interés y se extrae el ADN. Se aísla la porción de ADN en la que está el gen y se corta ese gen mediante enzimas de restricción, enzimas capaces de cortar el ADN en secuencias específicas.
2. El ADN en el que se insertará el gen de interés que cortamos se llama vector de clonación y es un plásmido, con genes marcadores que lo identifiquen. Estas moléculas de ADN circulares se linearizan cortándolas con los mismos enzimas de restricción empleados para cortar el gen de interés. Los extremos del plásmido y del fragmento son compatibles para ser unidos mediante una ligasa.
3. El plásmido cortado y el gen de interés se unen mediante una ligasa. El resultado, ADN recombinante, se denomina quimera porque es una mezcla de ADN de dos organismos diferentes.
4. El ADN recombinante se introduce en las células anfitrionas, que suelen ser bacterias o levaduras. Las células se dividen y se propagan en el cultivo, replicando y transmitiendo a sus células hijas el ADN quimera que se clona de forma natural.
5. Para identificar las células que contienen el ADN quimera, se suele detectar la expresión de los genes marcadores que lleva el vector. En cuanto a la presencia del gen de interés o la expresión de su proteína, se confirman mediante PCR, secuenciación, anticuerpos, etc.

CRISPR-Cas9

Las secuencias CRISPR son secuencias repetidas, separadas entre sí mediante secuencias espaciadoras (PAM), presentes en el genoma de muchas bacterias y que contienen secuencias de ADN de virus que infectaron esas bacterias. Asociadas a estas, se encuentran los genes Cas, que codifican para endonucleasas que cortan el ADN de forma específica. El científico español Francisco Juan Martínez Mojica descubrió que estas secuencias son una especie de memoria inmunitaria que las bacterias utilizan como medio de defensa frente a infecciones virales a las que ya hicieron frente en el pasado. Generan fragmentos de ARN que las proteínas Cas reconocen y toman como guía para cortar las secuencias complementarias de los virus. Así se defienden de nuevas infecciones virales. La tecnología CRISPR fue desarrollada por Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna, que aplicaron esta herramienta molecular para editar genes. La aplicación sigue estos pasos:

1. Se diseña un ARN guía sobre una secuencia concreta del ADN. Ese ARN será reconocido por la endonucleasa Cas9.
2. La Cas9 corta el ADN complementario al ARN guía.
3. Después intervienen los mecanismos celulares naturales de reparación del ADN, que pueden actuar de dos formas:
   • Pueden cerrar el corte de forma imprecisa, provocando inserciones o deleciones que inactivan el gen.
   • Pueden rellenar el corte incorporando, por recombinación, una secuencia que se introduce artificialmente en la célula, de modo que el gen queda editado (modificado).

Terapia Génica

La terapia génica consiste en introducir secuencias funcionales de ADN que restablezcan los daños genéticos causantes de la enfermedad. Los virus constituyen uno de los mecanismos más prometedores ya que incorporan su ADN en la célula que infectan. Los vectores virales son virus modificados genéticamente para introducir ADN de interés en las células. Al entrar en las células, el ADN modificado del vector viral forma una estructura estable, semejante a un plásmido, que permite la expresión del gen de interés o el desarrollo de la función génica deseada.

Clonación

La clonación, es decir, la generación de organismos genéticamente idénticos, se produce mediante la reproducción asexual. Así, la mayoría de los microorganismos unicelulares que se dividen por bipartición producen descendientes genéticamente idénticos, clones. En las especies que se reproducen sexualmente, la clonación natural no es posible, ya que la descendencia hereda caracteres de los dos progenitores que pueden recombinarse durante la meiosis para producir los gametos. Los descendientes de estos organismos son genéticamente diferentes entre sí y de sus progenitores. La clonación artificial de organismos con reproducción sexual para generar organismos genéticamente idénticos es posible hoy en día gracias a las técnicas de ingeniería genética para la clonación reproductiva y la clonación terapéutica.

Clonación Reproductiva

Es la obtención de un organismo completo, genéticamente idéntico a otro ya existente de la misma especie.

Técnica:

1. Se toma una célula somática del individuo que se quiere clonar y se extrae su núcleo.
2. Se toma un óvulo no fecundado de un individuo hembra diferente y se extrae su núcleo y, por lo tanto, su información genética.
3. Se inyecta el núcleo de la célula somática del individuo A en el óvulo enucleado del individuo B y se inducen las divisiones mitóticas de este óvulo clonado para formar un embrión.
4. El embrión resultante se implanta en el aparato reproductor de un tercer individuo hembra en el que se completará el desarrollo y se producirá el nacimiento de un clon artificial del individuo A, genéticamente idéntico a este.

Clonación Terapéutica

Es la generación de células madre embrionarias, genéticamente idénticas a un determinado organismo, con el fin de disponer de tejidos u órganos para transplantes. El embrión resultante no se implanta para que se desarrolle, sino que sus células madre se recogen y se cultivan para disponer de ellas con fines terapéuticos.

Aplicaciones de la Biotecnología

1. Biotecnología amarilla: Uso de organismos vivos y de biomoléculas en la industria alimentaria.
2. Biotecnología azul: Aplicaciones en ambientes marinos y acuáticos.
3. Biotecnología gris: Ingeniería genética y biología molecular para mejorar el medio ambiente.
4. Biotecnología púrpura: Bioseguridad y legislación.
5. Biotecnología roja: Aplicaciones terapéuticas, diagnósticas e investigación biomédica.
6. Biotecnología verde: Aplicada a mejoras de animales domésticos y plantas cultivadas.
7. Biotecnología dorada: Bioinformática y nanotecnología.
8. Biotecnología blanca: Se usa en procesos industriales.

Agricultura y Ganadería

La ingeniería genética nos permite crear organismos modificados genéticamente y reducir el tiempo de espera para obtener nuevas razas o variedades útiles.

• En la agricultura: ha hecho posible obtener plantas de interés agrícola más resistentes a plagas o que pueden crecer en zonas frías o áridas, con frutos de mayor tamaño y con mayor valor nutritivo. Por ejemplo: el maíz transgénico BT lleva insertado el gen Bt, que produce una toxina insecticida mortal para el taladro del maíz. No requiere del uso de insecticidas, pero preocupan los efectos de la toxina sobre otros insectos y que el gen insertado se transfiera a otras plantas a través de la polinización.
• En la ganadería: la introducción de genes se realiza con el fin de conseguir un crecimiento más rápido, un mayor rendimiento o una mayor calidad en la producción de carne, leche y otros productos de interés o incluso conseguir que los animales den leche con sustancias de interés. También pueden ser resistentes a enfermedades, servir en ensayos farmacéuticos o aportar órganos para transplantes.

Aplicaciones en la Industria

Van dirigidas a la fabricación o al procesamiento de sustancias útiles en los diferentes sectores industriales. Permite obtener una gran variedad de productos relacionados con la alimentación, tanto humana como del ganado, como los aditivos alimentarios, los nutrientes y complementos dietéticos, el pan, los lácteos, el vino o la cerveza. Se obtienen mediante métodos tradicionales que aprovechan los procesos bioquímicos naturales de algunos organismos. Los principales son las fermentaciones.

• El pan: intervienen cepas del fermento Saccharomyces cerevisiae, que degrada el almidón de la harina por la vía de la glucólisis, y luego realiza la fermentación alcohólica de los azúcares para producir CO₂, cuyas burbujas vuelven el pan esponjoso, y etanol, que se evapora en la cocción.
• El vino y la cerveza: intervienen también las variedades de Saccharomyces cerevisiae que hacen la fermentación alcohólica. En el caso del vino, se fermentan los azúcares del zumo de la uva y en el caso de la cerveza, del mosto, que es una cocción de granos de cereales germinados, tostados y molidos. En los dos casos, el alcohol producido se conserva en la bebida.
• Los productos lácteos: intervienen bacterias de los géneros Lactobacillus y Streptococcus. Se aplican técnicas antiguas que se cree que surgieron para conservar la leche. El yogur es leche fermentada. El ácido láctico le da su sabor característico y además desnaturaliza las proteínas, que precipitan confiriéndole su aspecto semilíquido. El queso es leche con sus proteínas precipitadas mediante la renina o cuajo, un enzima proteolítico del cuajo. También se puede cuajar la leche añadiendo bacterias lácticas como Lactococcus, Lactobacillus o Streptococcus, que acidifican la leche y desnaturalizan las proteínas. El requesón resultante se deshidrata, se sala y se incuba en ambientes donde crecen bacterias y hongos que actúan sobre las proteínas y las grasas y aportan los diferentes sabores, aromas y texturas de las variedades de queso.

Industria Farmacéutica

La biotecnología contribuye a abaratar y a aumentar la eficacia de los procesos de obtención de fármacos cuya síntesis química resulta complicada o costosa. Estos fármacos se obtienen a partir de microorganismos manipulados mediante procedimientos de ingeniería genética para que produzcan las sustancias de interés con gran eficacia. Se producen vitaminas, enzimas, antibióticos, hormonas, sueros o vacunas.

Industria Energética

Se aplica para obtener biocombustibles. Por ejemplo:

1. Los bioaceites: se obtienen de plantaciones principalmente de girasol, soja, palma o colza, a veces modificadas genéticamente, para incrementar su contenido en aceites vegetales que se usan como combustibles de motores diésel para el transporte.
2. El bioetanol o etanol de biomasa: se obtiene por la fermentación alcohólica de residuos agrícolas, ganaderos y urbanos o de triturados y zumos de maíz, caña de azúcar o remolacha.
3. El biogás: que es un biocombustible renovable compuesto por metano y dióxido de carbono, se produce por la fermentación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas. Se genera en las plantas de biogás, en las que se acelera el proceso natural. Se parte de residuos orgánicos como purines, subproductos agrícolas o residuos industriales, que se llevan a unos digestores en los que actúan las bacterias en ausencia de oxígeno. Se produce una digestión anaeróbica y se obtienen el biogás y un subproducto que sirve como fertilizante agrícola.

Industria Química

Se aplica para producir sustancias de muy diversa naturaleza. Por ejemplo:

1. Enzimas: producidos por hongos y bacterias que se usan en la industria textil o para aumentar la eficacia de los detergentes.
2. Disolventes, alcoholes, plásticos, fibras, resinas o barnices: que se obtienen de seres vivos o por su acción.

Minería

Para ayudar a la recuperación y limpieza de algunos minerales, se recurre al bioprocesamiento, llevado a cabo por bacterias y hongos que actúan sobre sustancias presentes en las rocas donde el metal se encuentra impregnado. Por ejemplo: la obtención de cobre.

Medicina

La biotecnología aportó nuevas tecnologías que revolucionaron los transplantes de tejidos y órganos, la medicina legal y forense, la investigación médica y la terapia génica. Proporcionó dos métodos principales que van encaminados a evitar o reducir el rechazo en los transplantes:

1. Con las técnicas de clonación terapéutica se consiguieron células madre pluripotentes genéticamente idénticas a las células de las personas que necesitan los transplantes.
2. Mediante las técnicas de generación de organismos transgénicos y las de clonación reproductiva, se consiguieron organismos genéticamente modificados que tienen tejidos compatibles con los humanos y que pueden ser utilizados en los xenotrasplantes.

Medicina Legal y Forense

Revolucionó el estudio de la huella genética. El uso de marcadores genéticos, es decir, regiones en el ADN que son exclusivas de cada ser humano y que permiten identificar individualmente a una persona. Gracias a la PCR, una pequeña muestra de ADN se puede amplificar para disponer de una cantidad suficiente como para hacer comparaciones. Estas técnicas combinadas se utilizan en medicina legal para determinar el parentesco entre individuos, y en medicina forense para identificar individuos a partir de diminutas muestras biológicas.

Investigación Médica

Aportó herramientas muy poderosas a la investigación para el tratamiento y la prevención de enfermedades. Se recurre a la clonación reproductiva animal para obtener organismos modificados genéticamente que tengan unas características determinadas, lo que permite realizar estudios sobre la eficacia de medicamentos o sobre el desarrollo de enfermedades antes de que se lleven a cabo en seres humanos, como en el estudio de los procesos de envejecimiento por deterioro del ADN y poder actuar sobre ellos.

Terapia Génica

Pretende el tratamiento de ciertas enfermedades genéticas a partir de la modificación del ADN de los tejidos afectados. Para que se pueda aplicar una terapia génica, tienen que darse tres condiciones: que el daño genético afecte solo a un tejido o tipo celular concreto, que la alteración afecte a un gen concreto y que la expresión de ese gen no esté modulada por señales celulares. Se pueden aplicar tres tipos de técnicas:

1. La inserción génica: Consiste en introducir, en las células afectadas por el daño genético, fragmentos de ADN con funciones específicas.
2. La cirugía génica: Consiste en extraer, reparar o inactivar el gen defectuoso mediante herramientas de edición genética.
3. El silenciado de genes: Consiste en evitar que genes que codifican para proteínas perniciosas se expresen. Para ello, se actúa sobre los ARN mensajeros correspondientes a esos genes, haciendo que hibriden con una sonda específica que se introduce en las células. Así, los ARN mensajeros no se expresan y las proteínas no se producen. Se utilizan para la sustitución o la inhibición de genes defectuosos o para desencadenar la muerte de células dañadas o señalarlas e inducir una respuesta inmunitaria contra ellas.

Tipos de Terapia Génica:

1. In situ: Los genes son introducidos directamente en los tejidos de la persona enferma mediante una jeringa convencional o mediante un inyector de genes.
2. In vivo: Los genes deseados se introducen a través de la sangre utilizando vectores virales. Estos virus deben tener en su superficie moléculas que sean reconocidas por las células diana, a las que va destinado el gen, y que tienen en su membrana receptores específicos.
3. Ex vivo: Consiste en extraer y cultivar las células de la persona afectada y realizar en ellas las intervenciones genéticas pertinentes. Después, se pueden reintroducir en esa persona mediante inyecciones o cirugía.

Biorremediación

Es la restauración de ambientes en los que se produjo algún tipo de contaminación, mediante el empleo de seres vivos modificados genéticamente o no modificados. Los seres más utilizados son las bacterias, que pueden llegar a degradar cualquier tipo de materia.

Depuración de Aguas Residuales

Pretende eliminar de estas todos los contaminantes antes de devolverlas al medio ambiente. Se lleva a cabo en las EDAR (Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales) en las que el agua se trata mediante microorganismos que oxidan la materia orgánica y la eliminan. Los lodos obtenidos en la decantación también son tratados con microorganismos descomponedores para obtener biogás y fertilizantes orgánicos.

Elaboración de Compost

Se usan microorganismos descomponedores presentes en esos residuos, pero se incrementa su eficacia al proporcionarles condiciones idóneas de humedad, temperatura y oxigenación.

Elaboración de Bioplásticos

Algunos géneros de bacterias fueron manipuladas para favorecer su característica natural de fabricar polímeros plásticos biodegradables y menos contaminantes que los producidos a partir del petróleo.

Recuperación de Especies en Peligro de Extinción

Se puede contribuir a reducir la pérdida de biodiversidad, recuperando especies que estaban en riesgo de desaparecer, e incluso a la recuperación de especies ya desaparecidas.