Biotecnología e Ingeniería Genética

La biotecnología es el conjunto de técnicas mediante las cuales se obtienen productos útiles a partir de seres vivos. La ingeniería genética, una rama fundamental de la biotecnología, utiliza diversas técnicas para manipular el ADN de los organismos. Su objetivo principal es la clonación, es decir, la obtención de copias idénticas a distintos niveles.

Técnicas de la Ingeniería Genética

Las técnicas del ADN recombinante son esenciales. Este ADN, obtenido en laboratorios, incluye fragmentos de distintas procedencias. El proceso comienza con la obtención de un fragmento de ADN, que luego se inserta en otro fragmento de ADN. Este ADN recombinante se introduce en un organismo receptor, que contiene ADN de otro ser vivo, convirtiéndolo en un organismo transgénico. El ADN recombinante también se conoce como quimera.

Herramientas para Manipular el Genoma

• Enzimas de restricción: Estas endonucleasas destruyen el ADN vírico cortando el ADN extraño. Cortan siempre de la misma forma, obteniendo secuencias de ADN palindrómicas. La enzima corta las dos hebras en puntos ligeramente separados, dejando un fragmento corto monocatenario en cada lado del corte.
• ADN ligasas: Unen los fragmentos cortados.
• Células anfitrionas: Son células en las que se puede clonar el ADN recombinante. Se suelen emplear bacterias (E. coli), hongos (levaduras) para fragmentos pequeños, y células eucariotas como células «HeLa», fibroblastos y ovocitos de ratón.
• Vectores de clonación (procariotas): Son medios biológicos empleados para introducir el material genético en las células. Incluyen:
  • Plásmidos: pequeños fragmentos de ADN circular de doble hélice que se replican independientemente del cromosoma de la bacteria.
  • Virus bacteriófagos: fagos que infectan a bacterias introduciendo en ellas ADN extraño. El más utilizado es el fago beta que infecta a E. coli.
  • Cósmidos: plásmidos que contienen los extremos complementarios del fago beta.
• Vectores de clonación (eucariotas): Se emplean sistemas distintos que en procariotas. Se han descubierto plásmidos en levaduras, los YAC (cromosomas artificiales de levaduras), retrovirus modificados o la inyección directa de ADN en el núcleo de los ovocitos.

Técnicas del ADN Complementario

No se puede introducir directamente un gen de eucariotas en una bacteria, ya que posee intrones que las bacterias no pueden eliminar. Por lo tanto, a partir del ARNm y con la ayuda de la retrotranscriptasa, se forma un ADN que, duplicado, forma el ADN complementario, que ya puede ser introducido en el vector para insertarlo en la bacteria.

Electroforesis

Es un método para la separación de fragmentos de ADN mediante la aplicación de cargas eléctricas.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

Inventada en 1986 por Kary Mullis, la PCR se emplea para conseguir grandes muestras de ADN a partir de cantidades minúsculas. Es un sistema para replicar ADN in vitro en grandes cantidades, gracias a que emplea ADN-polimerasas extraídas de microorganismos termófilos que no se desnaturalizan por el calor.

Se necesitan: ADN diana, dNTPs, dos segmentos de ADN monocatenario (cebadores) y la ADN polimerasa termorresistente. La reacción consiste en la repetición de un ciclo con tres etapas:

1. Desnaturalización del ADN: A 80°C se separa la doble hélice.
2. Hibridación de los cebadores: Se añaden cebadores y se baja la temperatura para que se hibriden en cada hebra.
3. Elongación de la cadena: La ADN polimerasa sintetiza una cadena sencilla en sentido 5’→3′.

Después de unos 20 ciclos, se obtienen un millón de copias. Actualmente, este proceso se realiza automáticamente con un termociclador. Esta técnica tiene muchas aplicaciones.

Aplicaciones de la Ingeniería Genética (desde 1970)

1. Producción de proteínas terapéuticas mediante la inserción de genes en bacterias. Ejemplos:

• Insulina: Estimula la entrada de glucosa en las células.
• Hormona de crecimiento: Para tratar casos de enanismo.
• Interferón: Proteína del sistema inmunitario usada para tratar infecciones víricas.
• Factor VIII de coagulación: Para tratar la hemofilia.

Producción de enzimas, empleadas sobre todo en la industria alimentaria y para detergentes. Producción de vacunas: Se insertan genes del agente patógeno contra el que se requiere vacunar y se recogen las proteínas que se sintetizan. Terapia génica: Introducción de genes en seres humanos para corregir enfermedades genéticas. Tipos:

• Terapia de células germinales: Se introduce el gen en células germinales, modificando las células que este produzca.
• Terapia de células somáticas: Se introduce el gen en un grupo amplio de células somáticas. No pasa a la descendencia.

Una de las primeras enfermedades tratadas así fue la deficiencia de la enzima adenosina desaminasa (ADA), que causa una alteración de los linfocitos que los hace no funcionales. Los pacientes carecen de defensas y pueden fallecer ante cualquier infección. Esta enfermedad se conoce como la de los «niños burbuja». Otras enfermedades tratadas son la talasemia.

Agricultura: Los organismos eucariotas desarrollados a partir de una célula con genes extraños son organismos transgénicos. Ejemplos: plantas resistentes a herbicidas, insectos, cambios ambientales. Algunos ejemplos son el maíz Bt (insecticida), soja resistente a herbicidas, tomates de maduración tardía. Ganadería: Principalmente en peces: carpas que crecen rápidamente gracias al gen de la hormona del crecimiento de la trucha arcoíris; salmones que resisten mejor las bajas temperaturas.

Proyecto del Genoma Humano

El genoma es el conjunto de genes de un organismo que contiene toda la información genética. En humanos, son 22 pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales. En 1988 se formó el proyecto público HUGO. Paralelamente, un proyecto privado, Celera Genomics, generó competencia. En 2001 se publicó el 90% del genoma humano y en 2003 se completó la secuencia del genoma humano. El anuncio lo hicieron HUGO y Celera Genomics.

Proteómica

La proteómica estudia el conjunto de proteínas de un organismo. En humanos, hay muchas más proteínas que genes, ya que un ARNm puede madurar de diferentes formas. Así, se pueden formar varias proteínas a partir de un gen.