La
ingeniería genética es la
tecnología de la manipulación y transferencia de
ADN de un organismo a otro, que posibilita la creación de nuevas
especies, la corrección de defectos genéticos y la fabricación de numerosos compuestos.
[editar] Aparición de la Ingeniería Genética
Los granos de trigo modificados genéticamente con bacterias como las que colonizaron esta placa de Petri son casi inmunes contra una enfermedad micótica que destruye las raíces. El gel de secuenciación en el fondo muestra el código genético de las enzimas bacterianas que sintetizan antibióticos naturales.
En
1953 se descubrió el fenómeno llamado de restricción: ciertos fagos (virus bacterianos) que parasitan a
E. coli podían desarrollarse en ciertas cepas de esta bacteria, pero no podían hacerlo en otras (se dice que están "restringidos" en determinadas cepas).
A finales de los 60,
Werner Arber, en
Basilea, descubre las enzimas de restricción responsables de ese fenómeno: la cepa de bacteria restrictiva produce unas endonucleasas ("enzimas de restricción, o restrictasas") que escinden el ADN del fago crecido en otra cepa diferente.
Esas primeras enzimas de restricción eran inespecíficas en cuanto al sitio del ADN donde cortaban, pero en
1970 Hamilton O. Smith, en
Baltimore, descubre un nuevo tipo de enzima de restricción totalmente específica: capaz de reconocer una determinada secuencia de ADN, de unos pocos pares de bases, y de cortar en ambas cadenas en lugares concretos.
1972, Mertz y Davis añadieron a una mezcla de ADN de diferentes orígenes una enzima
ADN-ligasa, procurando que se reparasen los enlaces fosfodiéster. Y esto les hizo darse cuenta de que podían constituir la base para la producción de moléculas recombinantes in vitro, con material genético de diferentes especies.
Pero este ADN recombinante, generado en el tubo de ensayo, es inerte, no es más que una macromolécula híbrida que por sí sola no hace nada. Si queremos que el ADN recombinante haga algo, hay que introducirlo en células vivas que sean capaces de expresar su información genética.
Esto nos lleva ya a la idea de lo que es la Ingeniería Genética: la formación
in vitro de nuevas combinaciones de material genético, por medio de la inserción de un ADN de interés en un vehículo genético (vector), de modo que tras su introducción en un organismo hospedero el ADN híbrido (recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y eventualmente expresarse.
[editar] Experimento de Ingeniería Genética
Un experimento de Ingeniería Genética podría ser:
- Se corta por separado el ADN del organismo a estudiar y el ADN del vector con la misma restrictasa, de modo que se generan extremos compatibles entre sí (mutuamente cohesivos).
- Se juntan ambos ADN y se les añade ADN-ligasa: de esta forma, las uniones entre ADN pasajero y ADN del vector se sellan mediante un enlace covalente, generándose moléculas híbridas (quiméricas o recombinantes).
- Ahora hay que introducir las moléculas generadas en los organismos huésped. En el caso de bacterias se recurre a una técnica sencilla denominada transformación, que permite la entrada del ADN a través de las envueltas del microorganismo.
- Finalmente, hay que localizar las bacterias que han captado y han establecido establemente las moléculas híbridas. A menudo este es el paso más laborioso, pero el hecho de que el vector posea uno o varios genes de resistencia favorece al menos la eliminación de las bacterias que no han recibido ADN del vector: basta añadir al medio de cultivo el antibiótico para el que el vector confiere resistencia. Para localizar los transformantes recombinantes, muchos vectores incorporar un gen marcador que produce alguna sustancia coloreada. Si insertamos el gen a aislar dentro de ese marcador, lo rompemos, por lo que las colonias bacterianas no producirán la sustancia coloreada, sino que permanecen incoloras o blancas.
- El resultado del experimento es la obtención de al menos una colonia (clon) de bacterias que portan la combinación buscada de vector con el inserto de ADN pasajero. Se dice entonces que hemos clonado dicho ADN.
En
1973 los investigadores
Stanley Cohen y
Herbert Boyer producen el primer organismo recombinando partes de su ADN en lo que se considera el comienzo de la ingeniería genética. En
1997 se
clona el primer mamífero, la
Oveja Dolly.
Actualmente la Ingeniería Genética está trabajando en la creación de técnicas que permitan solucionar problemas frecuentes de la humanidad como, por ejemplo, la escasez de donantes para la urgencia de trasplantes. En este campo se están intentando realizar cerdos transgénicos que posean órganos compatibles con los del hombre.
El ADN es una base fundamental de información que poseen todos los organismos vivos, hasta el más simple y pequeño. Esta información está a su vez dividida en determinada cantidad espacios llamado loci (plural) o locus (singular); que es donde se encuentran insertados los
genes, que varían dependiendo de la especie. A su vez, cada gen contiene la información necesaria para que la
célula sintetice una proteína, por lo que el
genoma y, en consecuencia, el
proteoma, van a ser los responsables de las características del individuo.
Los genes controlan todos los aspectos de la vida de cada organismo, incluyendo metabolismo, forma, desarrollo y reproducción. Por ejemplo, una proteína X hará que en el individuo se manifieste el rasgo de "pelo oscuro", mientras que la proteína Y determinará el rasgo de "pelo claro".
Vemos entonces que la carga genética de un determinado organismo no puede ser idéntica a la de otro, aunque se trate de la misma especie. Sin embargo, debe ser en rasgos generales similar para que la reproducción se pueda concretar, ya que una de las propiedades más importantes del ADN, y por la cual se ha dicho que fue posible la evolución, es la de dividirse y fusionarse con el ADN de otro individuo de la misma especie para lograr descendencia diversificada.
Otra particularidad de esta molécula es su universalidad. A raíz del concepto de gen, surgen algunas incógnitas: ¿Son compatibles las cargas genéticas de especies distintas? ¿Puede el gen de una especie funcionar y manifestarse en otra completamente distinta? ¿Se puede aislar y manipular el ADN?
La ingeniería genética incluye un conjunto de técnicas biotecnológicas, entre las que destacan:
- La tecnología del ADN recombinante;
- La secuenciación del ADN;
- La reacción en cadena de la polimerasa (PCR).
[editar] La tecnología del ADN recombinante
A. tumefaciens adhiriéndose a una célula de zanahoria.
Con la que es posible aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro.
Si se quieren unir dos ADNs, cada uno de los cuales procede de una especie diferente podemos utilizar dichas enzimas como herramientas. Cada ADN se trata con una
endonucleasa de restricción que origina en este caso un corte escalonado en las dos hebras dobles de ADN. Los extremos escalonados del ADN1 y el ADN2 son complementarios, con lo cual, una condición que tiene que tener los dos ADNs que se quiere unir es que tengan un pequeño fragmento igualen sus secuencias. Los dos DNAs así cortados se mezclan, se calientan y sé enfrían suavemente. Sus extremos cohesivos se aparearán dando lugar a un nuevo ADN recombinado, con uniones no covalentes. Las uniones covalentes se consiguen añadiendo ADN ligasa y una fuente energética para formar los enlaces.
Otra enzima clave para unir ADNs es la transferencia terminal, que puede adicionar muchos residuos de
desoxirribonucleótidos sucesivos al extremo 3´de las hebras del ADN. De este modo pueden construirse colas de poli G (nucleótico de guanina) en los extremos 3´ de las dos hebras de ADN dúplex y colas de poli C (nucleótico de citosina) en los extremos del otro ADN. Como estas colas son complementarias, permitirán que los dos ADNs se unan por complementariedad. Posteriormente, se forman los enlaces covalentes por el ADN ligasa.
El ADN vector es el vehículo de clonación, ya que transporta el inserto de ADN a una molécula hospedadora, donde puede ser replicado. Los vectores o transportadores más utilizados son los plásmidos y el ADN del
fago lambda. Plásmidos Estos son pequeños ADNs de cadena doble y circular, que se encuentran en el citoplasma de la mayoría de las bacterias. Cada
plásmido contiene varios genes que se replican, transcriben y traducen independientemente de los genes del cromóforo bacteriano, pero simultáneamente en el tiempo.
Se pueden unir genes extraños a los plásmidos con mucha facilidad, y después ser transportados como pasajeros al interior de las células de E. coli.
ADN del fago lambda. Es otro vector que puede ser utilizado para introducir genes en bacterias. Cuando el ADN recombinado del fago lambda, con su gen pasajero, se mezcla con la cubierta del virus lambda, se producen partículas fágicas infecciosas, si el tamaño del ADN recombinado no es muy distinto del ADN natural del virus lambda.
Los procesos de clonación y de aislamiento de estos fragmentos se inician con la construcción de una biblioteca de ADN o un banco de ADN. Éstas están formadas por todas las moléculas de plásmidos o fagos recombinantes originados al unir un ADN a un vector. Las bibliotecas deben cumplir la característica de poder introducirse en células donde cada recombinante pueda aplicarse
in vivo.
[editar] La secuenciación del ADN
Técnica que permite saber el orden o secuencia de los nucleótidos que forman parte de un gen.
Abreviadamente, éste sería el método a seguir:
- Como la técnica se basa en la síntesis de ADN, para hacer la reacción de secuenciación se necesita:
- Como "molde" se utiliza una de las cadenas del fragmento de ADN que se va a secuenciar.
- Como "cebador" para iniciar la síntesis, se necesita un corto oligonucleótido complementario del extremo de la cadena.
- Desoxinucleótidos de las cuatro bases: dAMP, dTMP, dGMP, dCMP.
- Didesoxinucleótidos de una base en cada una de las cuatro reacciones de secuenciación.
Al añadir la
ADN-polimerasa, comienza la
polimerización en el cebador, pero cesa el incorporarse un didesoxinucleótido. Se produce un conjunto de cadenas dobles cuyas longitudes dependen de la situación del didesoxinucleótido incorporado. Deben prepararse cuatro reacciones de secuenciación, cada una con un didesoxi distinto. Los fragmentos resultantes se separan por tamaño mediante
electroforesis, se autorradiografía, y la sucesión de bandas de cada una de las cuatro reacciones, comparándolas entre sí, dan la secuencia del ADN.
[editar] La reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
Con la que se consigue aumentar el número de copias de un fragmento determinado de ADN, por lo tanto, con una mínima cantidad de muestra de ADN, se puede conseguir toda la que se necesite para un determinado estudio.
La técnica de la PCR consiste en:
- En un tubito se mezcla el ADN molde, los dos cebadores (oligonucleótidos), los cuatro dNTPs y la ADN-polimerasa termorresistente.
- Se calienta a 94 °C durante 5 min, con lo que se separan las cadenas del ADN molde a amplificar, generándose las correspondientes cadenas sencillas.
- Se baja la temperatura en torno a los 60 °C, de modo que cada cebador se empareja con el extremo correspondiente de una de las cadenas del molde. Se dice que ahora tenemos los moldes cebados.
- Se sube la temperatura hasta 72 °C (la óptima de funcionamiento de la Taq), y se deja durante 5 min, tiempo durante el que se está produciendo la síntesis in vitro de las cadenas complementarias de cada hebra molde.
- Se sube la temperatura a 94 °C durante 20 segundos, suficientes para separar la cadena recién sintetizada respecto del molde original.
- Las cadenas sencillas generadas entran ahora en un nuevo ciclo (pasos 1 al 5), y así sucesivamente, de modo que tras 30-60 ciclos obtenemos una amplificación del ADN original de millones o miles de millones de veces.
- Las aplicaciones de la ingeniería genética: Son numerosas las aplicaciones prácticas y comerciales de la estudios de la ingieneria, entre otras cosas, se emplea para organismos transgénicos.
[editar] Biotecnología genética
En la década de 1970 se abrieron nuevas perspectivas en el campo de las
biotecnologías gracias a la elaboración de nuevas técnicas que permiten llegar directamente al material que está en el origen de todas las características y procesos vitales, es decir, el
ADN. Este conjunto de técnicas moleculares de manipulación genética recibe el nombre de
ingeniería genética.
Su objetivo es la manipulación
in Vitro del ADN, la introducción de este ADN así modificado en células viva y la incorporación del mismo como parte del material hereditario de dichas células. De este modo, ADN de diversas procedencias, por ejemplo, la fracción de ADN humano regula la síntesis de insulina, puede introducirse en bacterias de manera que pasa a formar parte de su genoma y lograr así que la bacteria adquiera la capacidad de elaborar insulina.
[editar] Terapia genética
La terapia genética consiste en sustituir o añadir, según el caso, una copia normal de la región defectuosa del ADN para poder solucionar y restablecer la función alterada, evitando el desarrollo de enfermedades de origen genético, como por ejemplo la facultad defensiva ante las enfermedades infecciosas. Las enfermedades con las que se ha empezado a trabajar son, entre otras, la deficiencia de la enzima ADA (adenosina desaminasa), conocida como la de los
niños burbuja y la DMD o distrofia muscular de Duchenne.
La posibilidad de curar las enfermedades genéticas con un tratamiento específico justifica lo esfuerzos que se están realizando en este sentido.
[editar] Implicaciones éticas
La ingeniería tiene aplicaciones en campos muy diversos; dos de los más importantes son la medicina y la creación de nuevas especies o mejora de las existentes. El progreso en estos ámbitos puede aportar resultados capaces de aliviar algunos problemas de gran importancia, pero no se debe olvidar que la explotación comercial de las tecnologías requeridas sólo está al alcance de unas pocas empresas multinacionales. Como era de esperar, la tradicional dependencia económica de los países subdesarrollados tiene en la ingeniería genética un nuevo elemento de desequilibrio. En otro orden de cosas, la ingeniería genética puede plantear graves problemas éticos. Hay opiniones muy diversas sobre dónde han de situarse los límites de manipulación del material que está en la base de todos los procesos vitales.
[editar] Ingeniería genética en seres vivos
[editar] Ingeniería genética en bacterias
Son los seres vivos más utilizados en Ingeniería Genética. La mas utilizada es la Escherichia coli. Se usa prácticamente en todos los procesos de I.G.
[editar] Ingeniería genética en levaduras y hongos
Son junto con las bacterias los sistemas más utilizados. El
Saccharomyces cerevisiae fue el primer sistema eucariota secuenciado completamente. Otra levadura importante es P. pastoris, utilizada para conseguir proinsulina en cultivo discontinuo y quitinasa en cultivo continuo. En el campo de los hongos destaca por su labor médica el
Penicillium.
[editar] Ingeniería Genética en animales
La manipulación genética de los animales persigue múltiples objetivos: aumentar el rendimiento del ganado, producir animales con enfermedades humanas para la investigación, elaborar fármacos, etc.
[editar] Ingeniería Genética en plantas
Actualmente se han desarrollado plantas transgénicas de más de cuarenta especies. Mediante ingeniería genética se han conseguido plantas resistentes a enfermedades producidas por virus, bacterias o insectos. Estas plantas son capaces de producir antibióticos, toxinas y otras sustancias que atacan a los microorganismos.
[editar] Ingeniería genética en humanos
Terapia somática celular. Uno o más tejidos son sometidos a la adición de uno o más genes terapéuticos, mediante tratamiento directo o previa extirpación del tejido. Esta técnica se ha utilizado para el tratamiento de cánceres o enfermedades sanguíneas, hepáticas o pulmonares.
[editar] Aplicaciones de la Ingeniería Genética en medicina e industria farmaceútica
[editar] Obtención de proteínas de mamíferos
Una serie de hormonas como la
insulina, la hormona del crecimiento, factores de coagulación, etc... tienen un interés médico y comercial muy grande. Antes, la obtención de estas proteínas se realizaba mediante su extracción directa a partir de tejidos o fluidos corporales. En la actualidad, gracias a la tecnología del ADN recombinante, se clonan los genes de ciertas proteínas humanas en microorganismos adecuados para su fabricación comercial. Un ejemplo típico es la producción de insulina que se obtiene a partir de la levadura Sacharomyces cerevisae, en la cual se clona el gen de la insulina humana.
[editar] Obtención de vacunas recombinantes
El sistema tradicional de obtención de vacunas a partir de microorganismos patógenos inactivos, puede comportar un riesgo potencial. Muchas vacunas, como la de la
hepatitis B, se obtienen actualmente por ingeniería genética. Como la mayoría de los factores antigénicos son proteínas lo que se hace es clonar el gen de la proteína correspondiente.
[editar] Diagnóstico de enfermedades de origen genético
Conociendo la secuencia de nucleótidos de un gen responsable de una cierta anomalía, se puede diagnosticar si este gen anómalo está presente en un determinado individuo.
[editar] Obtención de anticuerpos monoclonales
Este proceso abre las puertas para luchar contra enfermedades como el cáncer y diagnosticarlo incluso antes de que aparezcan los primeros síntomas.
El 7 de marzo de 2010 fue publicado en línea y rectificado el 25 de marzo del mismo año en la revista
Nature, una de las revistas científicas más prestigiosas del mundo, una investigación del cinvestav
Irapuato en colaboración con científicos de Estados Unidos y Francia en la cual hallaron una proteína llamada
argonauta 9 con la que se podría llegar a inducir la clonación natural de las plantas, esto tendría un fuerte impacto en la industria de semillas, y algunos dicen que podría revolucionar la producción agrícola internacional.
[editar] Véase también
[editar] Bibliografía relacionada
