Biotecnología: Conceptos y Técnicas Clave

La biotecnología se define como el conjunto de procesos que utilizan agentes biológicos para la obtención de bienes y servicios. Es un campo interdisciplinar que integra técnicas de diversas áreas como la genética, inmunología, química, informática, bioquímica y biología molecular. La biotecnología abarca procesos tan diversos como la clonación, la terapia génica, la inseminación in vitro y la obtención de bebidas alcohólicas. Actualmente, gracias a la expansión de la biotecnología y los métodos de manipulación genética, se han modificado microorganismos para fabricar productos útiles que no producen de forma natural.

Ingeniería Genética

La ingeniería genética comprende el conjunto de métodos y técnicas que permiten acceder y manipular el ADN de los seres vivos. Esto posibilita la modificación de la información genética de una célula, un grupo de células o un organismo. Con la ingeniería genética, han surgido nuevas disciplinas científicas, entre ellas:

• Genómica: Estudia la estructura y función del genoma completo de un organismo.
• Proteómica: Analiza la estructura y función del conjunto de proteínas codificadas por un genoma (proteoma).
• Farmacogenética: Se enfoca en la fabricación de medicamentos personalizados basados en las características genéticas de los individuos.

Obtención y Manipulación de Fragmentos de ADN

Tecnología del ADN Recombinante

El ADN recombinante es una molécula de ADN construida artificialmente con segmentos provenientes de organismos distintos. El proceso general para su obtención implica los siguientes pasos:

1. Corte del ADN: Se utilizan enzimas de restricción o endonucleasas de restricción, que actúan como «tijeras genéticas». Estas enzimas cortan el ADN en secuencias de bases específicas, generando fragmentos de ADN con extremos romos o cohesivos.
2. Separación y aislamiento: El fragmento de ADN de interés (que contiene, por ejemplo, un gen que se desea manipular) se separa y aísla mediante electroforesis en gel.
3. Unión a vectores: El fragmento se une a vectores, que suelen ser plásmidos o ADN viral, previamente cortados con la misma enzima de restricción. Para la unión, se utilizan ADN ligasas.
4. Obtención del ADN recombinante: Se obtiene así el ADN recombinante, que consiste en el fragmento de ADN de interés unido al ADN del vector.

Formación de ADN Complementario por Hibridación

Esta técnica se basa en la desnaturalización (separación de las hebras) y posterior renaturalización (unión) de hebras sencillas de ADN de distinta procedencia. Se obtienen moléculas híbridas siempre que existan secuencias complementarias. Cuanto mayor sea la relación entre las moléculas de ADN, mayor será el porcentaje de renaturalización. Esta técnica es útil para localizar genes en el genoma mediante una «sonda».

Síntesis de ADN Complementario (ADNc) a partir de ARNm

Consiste en la síntesis artificial de ADN a partir de ARNm utilizando la enzima transcriptasa inversa. El ADNc resultante carece de intrones y es de cadena sencilla. Posteriormente, mediante la acción de la ADN polimerasa I (ADNpol I), se puede obtener un ADNc de cadena doble.

Obtención de ADN Sintético

Es posible fabricar ADN mediante máquinas sintetizadoras de ADN. De esta manera, se puede sintetizar el gen correspondiente a una proteína cuya secuencia de aminoácidos se conoce, o incluso diseñar y fabricar el gen que codifique una proteína específica.

Clonación del ADN

La clonación del ADN implica la producción de numerosas copias de un gen determinado o de un fragmento específico de ADN en el interior de un organismo hospedador. Este hospedador puede ser procariota (generalmente E. coli) o eucariota (normalmente levaduras como S. cerevisiae). El hospedador debe poseer características como crecimiento rápido, ausencia de patogenicidad, capacidad para incorporar el ADN recombinante y facilidad de manipulación.

Proceso en Bacterias

El fragmento de ADN o gen a clonar se une a un vector (comúnmente un plásmido o el genoma de un virus como el fago λ). Este ADN recombinante se introduce en la célula hospedadora mediante:

• Transformación: La bacteria capta espontáneamente el ADN del medio.
• Transducción: Se utilizan bacteriófagos como vehículos para introducir el ADN.

El ADN recombinante se replica dentro de la bacteria y, al dividirse esta, pasa a las células hijas. Así, en poco tiempo, se generan miles de bacterias que contienen el gen y, por tanto, pueden sintetizar la proteína codificada por este.

Proceso en Eucariotas

En células eucariotas, el proceso es más complejo debido a la presencia de intrones en los genes, una expresión génica más elaborada y la ausencia de sistemas naturales para incorporar ADN externo. Los vectores suelen ser genomas de virus o cromosomas artificiales (para células hospedadoras animales) y el plásmido Ti (para células vegetales). La introducción del vector en la célula hospedadora se realiza mediante técnicas como:

• Microinyección
• Electroporación
• Pistola de genes
• Liposomas con ADN
• Bacterias que infectan plantas (como Agrobacterium sp.)

El resultado varía según el tipo de células hospedadoras. Si son células reproductoras, embrionarias o si el organismo huésped es unicelular (levaduras), se obtienen organismos transgénicos. Si las células hospedadoras son somáticas, se pueden obtener tejidos modificados, útiles para terapia génica.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

La PCR es una técnica que permite obtener múltiples copias de un fragmento de ADN a partir de una muestra muy pequeña. El proceso se describe a continuación:

1. Desnaturalización: El fragmento de ADN se desnaturaliza a alta temperatura (superior a 90°C) para separar las dos hebras complementarias.
2. Hibridación y extensión: A una temperatura más baja (alrededor de 70°C), cada hebra sirve de molde para la síntesis de una nueva hebra complementaria. Esta síntesis es catalizada por una ADN polimerasa (ADNpol) termoestable, proveniente de bacterias termófilas. El medio de reacción debe contener nucleótidos trifosfato y cebadores (primers).
3. Repetición del ciclo: Se eleva nuevamente la temperatura y se repite el ciclo de síntesis. Al ser un proceso exponencial, se obtienen millones de copias en poco tiempo.

Las aplicaciones de la PCR son diversas e incluyen:

• Amplificación de ADN antiguo (fósiles, momias) para estudios evolutivos o arqueológicos.
• Criminología: Amplificación de ADN en muestras orgánicas.
• Pruebas de paternidad.
• Diagnóstico de trastornos genéticos mediante la amplificación de ADN de células embrionarias.

Secuenciación del ADN

La secuenciación del ADN permite determinar el orden de la secuencia de bases nitrogenadas de un ADN determinado. Se utiliza comúnmente el método didesoxi de Sanger, que emplea didesoxinucleótidos modificados. Estos didesoxinucleótidos bloquean el alargamiento de la cadena durante la replicación al carecer del grupo OH en el carbono 3′. El proceso se ha automatizado e informatizado, realizándose actualmente en secuenciadores. Esta técnica ha permitido conocer la secuencia de nucleótidos de miles de genes e incluso genomas completos de diversas especies, incluyendo la humana.

Aplicaciones de la Biotecnología

Medicina

• Obtención de proteínas de interés en grandes cantidades (insulina, somatotropina, factores de coagulación).
• Desarrollo de vacunas que contienen solo los factores antigénicos.

Proyecto Genoma Humano

Este proyecto ha permitido la secuenciación y localización de los genes en los cromosomas humanos. Iniciado en 1990, se obtuvo un primer borrador en el año 2000 y se publicó el genoma completo en abril de 2003. Algunas conclusiones clave son:

• El genoma humano consta de aproximadamente 3000 millones de nucleótidos.
• Existen entre 20000 y 25000 genes codificadores de proteínas (estudios recientes sugieren alrededor de 19000), representando cerca del 3% del genoma. El número de proteínas, sin embargo, es mucho mayor.
• El genoma humano posee menos genes que el de otros seres vivos menos complejos, como la patata o el tomate (con más de 30000).
• La mayor parte del genoma tiene funciones desconocidas.
• El 99,9% del genoma es idéntico en todos los seres humanos.
• El ADN humano es, al menos en un 98%, idéntico al de otros primates superiores.

Agricultura y Ganadería

La ingeniería genética se aplica para mejorar la producción y calidad de los productos, utilizando plantas y animales transgénicos (OGM). Algunos objetivos incluyen:

• Desarrollo de plantas resistentes a herbicidas, plagas, heladas o enfermedades.

Medio Ambiente

• Biorremediación: Eliminación de la contaminación del suelo, agua o aire utilizando microorganismos modificados.
• Tratamiento de residuos urbanos e industriales.

Industria Alimentaria

Desde la antigüedad, se han obtenido productos alimenticios mediante la intervención de microorganismos. Actualmente, gracias al conocimiento de sus características y metabolismo, se utilizan industrialmente en la fabricación de alimentos, bebidas y otros productos. Ejemplos:

• Pan
• Yogur
• Queso
• Mantequilla
• Vinagre
• Vino
• Cerveza
• Encurtidos
• Microproteínas alimentarias (espirulina, levadura desecada, proteínas de algas)
• Edulcorantes (fructosa, aspartamo)
• Producción de proteínas para piensos de animales domésticos
• Síntesis de vitaminas (vitamina B12, riboflavina)
• Síntesis de aminoácidos (ácido glutámico, lisina, glicina, metionina, alanina)

Industria Química

• Obtención de plásticos y disolventes.
• Obtención de detergentes bioactivos con aditivos enzimáticos.

Industria Energética

• Obtención de biocombustibles: bioalcohol, biogás (a partir de residuos urbanos, agrícolas, ganaderos e industriales) y bioaceites.

Minería

• Extracción de minerales, como el cobre, por bioprocesado.