La Revolución Genética: Biotecnología

Introducción Histórica

Friedrich Miescher: Biólogo suizo, que trabajando con núcleos de glóbulos blancos, descubre que el núcleo celular contiene una extraña sustancia a la que llama nucleína, posteriormente denominada ácido desoxirribonucleico o ADN. Publica su trabajo en 1871.

Frederick Griffith (1879-1941): Oficial médico y genetista británico, descubrió el “principio de transformación“, hoy conocido como ADN. Realizó un experimento que demostró que las bacterias podían transferir información genética mediante la transformación.

Experimento de Griffith

En 1944, Oswald Avery junto con McLeod y McCarty, purificaron el principio transformante, confirmando que era el ADN, la molécula responsable de la transformación bacteriana.

En 1952, Martha Chase y Alfred Hershey confirman que el ADN, y no las proteínas, porta las instrucciones genéticas de las células.

En 1952, Rosalind Franklin, biofísica y cristalógrafa inglesa, obtiene una fotografía de difracción de rayos X (la famosa Fotografía 51), sugiriendo que el ADN está formado por dos cadenas en espiral, clave para confirmar la estructura de la molécula de ADN.

El ADN: El Secreto de la Vida

El ácido desoxirribonucleico o ADN es el encargado de transmitir la información genética de todos los seres vivos.

Es una gran molécula formada por la unión de nucleótidos, eslabones compuestos por una molécula de ácido fosfórico (fosfato), una pentosa y una base nitrogenada.

Nucleótido

Los nucleótidos se unen en cadenas no ramificadas, formando una secuencia que determina la síntesis de proteínas, crucial para la vida.

Nucleótidos Unidos (Secuencia)

El ADN: Una Espiral Especial

El ADN está constituido por dos largas cadenas de nucleótidos enrolladas en una doble hélice. Ambas cadenas son complementarias químicamente, con las bases nitrogenadas unidas en la parte interna.

• El ADN de los virus es una molécula lineal o circular (a veces varias) dentro de una cápsida proteica.
• El ADN de células procariotas, mitocondrias y cloroplastos es una doble hélice circular (en algunas bacterias, lineal).
• En células eucariotas, el ADN se asocia a histonas formando la cromatina, que se condensa en cromosomas durante la división celular.
• Cada segmento de cromosoma con instrucciones para sintetizar una proteína es un gen.

El ADN transmite su información mediante replicación (copias de sí mismo) o a través del ARN (transcripción y traducción).

El ADN se Replica

El ADN es la única molécula que puede replicarse, permitiendo que las células hijas hereden la misma información genética. La hélice de ADN se abre y cada hebra sirve de molde para una nueva cadena complementaria. Las ADN polimerasas unen los nucleótidos según la complementariedad de bases (A=T, C=G), resultando en dos moléculas de ADN idénticas.

Durante la replicación pueden ocurrir errores (mutaciones), que en su mayoría no tienen consecuencias, pero algunas pueden causar enfermedades o contribuir al proceso evolutivo. Las técnicas de biología molecular se basan en esta capacidad del ADN para autocopiarse.

El ADN Transmite su Información

Los genes contienen la información para la síntesis de proteínas, moléculas formadas por aminoácidos (20 tipos) ordenados según el código genético.

Las proteínas tienen funciones diversas, regulando y coordinando órganos, y confiriendo especificidad a cada individuo y especie.

La Traducción o Síntesis de Proteínas

En el citoplasma, el ARNm se une a un ribosoma, que traduce el mensaje usando el código genético, asignando aminoácidos según la secuencia de bases (tripletes o codones). El ribosoma lee los codones y une los aminoácidos transportados por el ARN transferente.

El Código Genético: Asigna equivalencias entre la secuencia de bases del ARNm y la secuencia de aminoácidos de las proteínas.

Biotecnología: Un Conjunto de Tecnologías

La biotecnología ha sido utilizada desde tiempos antiguos, como en la fermentación y el uso de microorganismos. La biotecnología moderna aplica conocimientos de genética y bioquímica.

La biotecnología moderna es la manipulación deliberada del ADN para modificar productos, mejorar animales o plantas, y desarrollar microorganismos con usos específicos.

Requiere estudios genéticos y bioquímicos para entender la regulación de la información genética y el desarrollo de técnicas como:

• Cortar, aislar, pegar, reproducir y secuenciar fragmentos de ADN.
• Insertar ADN de un organismo en otro (vector), creando ADN recombinante.

Tecnología del ADN Recombinante

1. Enzimas Celulares

• Enzimas de restricción: Cortan el ADN como “tijeras químicas”.
• Ligasas: Unen fragmentos de ADN.

2. Análisis de Fragmentos de ADN

Los fragmentos de ADN se separan por electroforesis en gel de agarosa según su tamaño y carga eléctrica. El ADN, con carga negativa, se mueve hacia el electrodo positivo, separándose por tamaño. Luego, se visualizan con fluorescencia, obteniendo un patrón de bandas o huella génica.

3. Hibridación mediante Sondas de ADN

La hibridación del ADN permite detectar genes específicos usando sondas de ADN (fragmentos de cadena sencilla marcados). Los biochips o chips de ADN permiten analizar miles de genes simultáneamente.

Aplicaciones: Detección de mutaciones, control de la expresión génica, diagnóstico de enfermedades, tratamientos personalizados.

4. Clonación del ADN

Clonar un fragmento de ADN es obtener miles de millones de copias idénticas. Se usan plásmidos bacterianos como vectores. Se inserta el ADN en el plásmido, se introduce en bacterias, y se seleccionan las bacterias con el plásmido recombinante. La colección de clones es la biblioteca o genoteca.

5. Amplificación del ADN: Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

La PCR permite copiar segmentos de ADN in vitro, usando ADN, cebadores y polimerasa resistente al calor. Útil para análisis forenses o identificación de patógenos.

6. Secuenciación del ADN

Determinar la secuencia de nucleótidos de un fragmento de ADN. Se ha secuenciado el genoma completo de muchos organismos.

Técnicas de Ingeniería Genética

n  Estas técnicas permiten la manipulación del ADN de un organismo para conseguir nuevas formas de vida con combinaciones únicas de genes adecuadas a nuestras necesidades.

n  Se pueden transferir genes entre especies distintas, de un organismo a otro.

n  Las aplicaciones pueden ser obtener organismos genéticamente modificados y terapia génica.

n  Organismos genéticamente modificados

n  También llamados transgénicos.

n  Son organismos -bacterias, hongos, animales y plantas- que contienen un gen procedente de otro organismo o transgén.

n   Se utilizan vectores de expresión o vehículos de transporte como virus o plásmidos bacterianos que llevan insertado los genes de un organismo y que luego se usan para introducir dichos genes en otro organismo.

n  Cuando el gen se expresa, elabora la misma proteína en el organismo transgénico.

Microorganismos genéticamente modificados

1.Mejora del medio ambiente o biorremediación:

n  Son microorganismos diseñados genéticamente, por ADN recombinante, añadiendo así nuevas características que aumentan la eficacia de un microorganismo que no haya sido modificado: Eliminan la contaminación.

n  Se usan en las mareas negras. Microorganismos que son capaces de digerir los hidrocarburos del petróleo.

n  Microorganismos que eliminan los metales pesados de los ecosistemas.

n  Levaduras que producen biocombustibles.

n  Bacterias que producen y destruyen plásticos biodegradables (reduciría nuestros vertederos).

2. Productos industriales, farmacéuticos y médicos

n  “Factorías vivientes”, microorganismos diseñados para fabricar productos útiles que no producen de forma natural.

n  Enzimas, como los que se añaden al detergente en polvo que lava nuestra ropa y que disuelven y degradan las manchas. Están producidos por bacterias y hongos genéticamente modificados.

n  Antibióticos. Sustancias que matan o inhiben el crecimiento de las bacterias, y los producen bacterias y hongos geneticamente modificados.

n  Bacterias y levaduras (modificados) que se utilizan para producir proteínas humanas utilizadas en medicina, como la insulina, hormona del crecimiento y el factor antihemolítico.

Animales transgénicos

n  Se obtiene un transgén por ADN recombinante, el cual se inserta en el hospedador por ejemplo por microinyección en un óvulo fecundado. Tiene distintas aplicaciones como son:

1. Aumentar la resistencia a enfermedades y mejorar la producción animal. (Animales que crecen más rápido, cerdos con menos grasa…..)

2. Diseñar animales Knockout, intercambiando en un animal un gen funcional por otro que se pretende estudiar, por ejemplo en ratones, para saber el funcionamiento de los genes que provocan el cáncer, para comprender la evolución de la enfermedad.

3. Fabricar órganos de animales para transplantes: Xenotransplantes. Fabricando órganos para trasplantes, pues hay demasiada demanda y además existe el problema del rechazo. Se trabaja en diseñar cerdos transgénicos, pues por su tamaño son los que mejor se adaptan. Se trabaja en añadirle modificaciones para que sean reconocidos como humanos y no causen rechazo.

4. Crear granjas farmacéuticas:

   Creando animales transgénicos capaces de producir fármacos o moléculas biológicas que se utilizan en medicina.

n  Se aísla un gen humano (insulina, factor antihemofílico…..) que se introduce por microinyección en un óvulo de oveja (cabra o vaca) que actúa como madre adoptiva. Se obtendrá una oveja transgénica que expresa el gen solo en las glándulas mamarias que secretan la proteína humana en la leche, que se puede aislar por fraccionamiento y luego purificar y preparar para su consumo.

Plantas transgénicas

n  Se transfieren genes a las plantas a partir de muchos tipos de organismos distintos simulando cruzamientos que jamás se realizarían en la naturaleza, obteniendo nuevas y útiles variedades vegetales.

n  Se puede utilizar el llamado plásmido Ti, vector natural de la bacteria Agrobacterium tumefaciens.

n  O bien por microinyección de los genes directamente en las células o disparar una pistola de genes, que lanza balas  microscópicas de ADN contra las células vegetales, con lo que los genes introducidos en el citoplasma alcanzarán el núcleo y se incorporará a los cromosomas.

Tiene numerosas aplicaciones como son:


1. Resistencia contra herbicidas o plagas:

n  Las plantas (soja, algodón, maíz…)son modificadas con un gen bacteriano, que las hace capaces de destruir las malas hierbas, o las hace resistentes a plagas de insectos por producir estas toxinas para los insectos, aunque no para las plantas ni personas. También pueden ser modificadas para producir antibióticos o sustancias que atacan a microorganismos.

n  Esto ha reducido la necesidad de fumigar los campos de cultivo con productos químicos.

2. Resistencia a las heladas, las sequías o al exceso de acidez y salinidad del suelo.

n  En plantas transgénicas se inserta un gen de un pez ártico que produce proteínas anticongelantes e impide la formación de hielo.

n  También se han conseguido variedades de trigo y arroz que toleran la sal.

3.Retrasar la maduración: Tomateras que al madurar no se ablandan.

4.Mejorar el valor nutritivo de las plantas empleadas en agricultura: Haciendo que estas produzcan determinadas vitaminas, y así suplir las deficiencias de esta. Por ejemplo provitamina A en arroz, para personas que dependen de este alimento.

n  5. Producir sustancias de interés farmacológico:

n  Modificación de vegetales para la obtención de plantas farmacéuticas, que producen proteínas humanas de uso médico y proteínas virales para utilizarlas como vacunas.

n  TERAPIA GÉNICA

n  Tiene como objetivo tratar, curar y prevenir enfermedades producidas por un solo gen defectuoso, introduciendo en el paciente un gen terapéutico o funcional.

n  El gen funcional reemplaza al gen defectuoso y repara la anomalía génica, o proporciona una nueva función que cubra las insuficiencias mostradas.

n  Hay dos tipos:

n  1. Terapia génica somática: Se intenta corregir una enfermedad. Se tratan algunas células del cuerpo (soma) de la persona enferma (células transgénicas) para disminuir los síntomas de la enfermedad. Se utilizan virus como vectores, que se transfieren de diferentes maneras.

n  2. Terapia génica de la línea germinal. Se introducen células transgénicas en un óvulo fecundado, así el gen terapéutico, formará parte del código genético de todas las células. (Aún no se ha hecho en humanos por problemas técnicos y éticos)

n  Esto nos lleva a hablar de eugenesia, bebes a la carta o la práctica deliberada de la mejora genética de la humanidad, que plantea problemas éticos complejos.

n  Actualmente se estudia la posibilidad de curar enfermedades como alzheimer, diabetes, parkinson, algunos tipos de cáncer……

n  Técnicas de clonación: clonación reproductiva.

n  Es el proceso mediante el cual se producen organismos genéticamente idénticos entre sí e idénticos al organismo original del que proceden.

n  Esto ya lo hace la naturaleza por reproducción asexual, son clones naturales. Por ejemplo por el esqueje de una planta, o la que hacen las estrellas de mar a partir de un brazo de esta.

n  La técnica que permite crear clones de animales se llama clonación reproductiva

n  Clonación reproductiva

n  Se elimina el núcleo de un óvulo del animal donante, mientras este se reemplaza por el núcleo de una célula que procede del animal a clonar por el método de trasplante nuclear.

n  Posteriormente está célula se implanta en el útero de una tercera hembra de la misma especie.

n  El organismo que se obtiene es genéticamente idéntico al donante del núcleo de la célula somática.

n  Después de la oveja Dolly, se han clonado otros mamíferos como ratones, gatos vacas caballos y cerdos.

n  Y muchos de ellos sufren enfermedades y muerte prematura.

n  Células madre o células troncales

n  Las células madre, son células indiferenciadas, que pueden dividirse indefinidamente produciendo nuevas células madres, son células que no tienen asignado un papel en el organismo. Esperan cierta señal que les diga en que se tienen que convertir. Y en determinadas condiciones se diferenciarán en uno o varios tipos celulares especializados (células sanguíneas, musculares, del sistema nervioso…..)

n  Tipos de células madre (Stem cells)

n  No todas las células madre son iguales, se distinguen por su grado de plasticidad, es decir por su distinta capacidad para originar células de distinto tipo.

n  Tipos de células madre

n  1. Totipotentes

n  Cuando un espermatozoide fecunda a un óvulo se forma el cigoto, que es una célula totipotente ya que es capaz de generar a través de sucesivas divisiones celulares toda la variedad de células diferentes del nuevo organismo, es decir cualquier tejido, incluido el que forma la placenta.

n  2. ESC Células madre embrionarias pluripotentes (blastocisto)

n  Tras las primeras divisiones del cigoto aparecen células cada vez más especializadas, por lo que se reduce la gama de tipos celulares a los que pueden dar lugar.

n  Varios días después se forma el blastocisto con forma de esfera, en el exterior están las células que formaran la placenta y en el interior las embrionarias que son pluripotentes, que excepto la placenta, pueden dar lugar a todos los tipos de células y tejidos del individuo adulto.

n  3. ASC Células madre adultas

n  Se encuentran en gran cantidad de tejidos del organismo adulto: sangre, piel….

n  Reemplazan las células que mueren en un órgano o tejido. Como por ejemplo las neuronas del tejido nervioso.

n  Dan muchos tipos de

  células, pero no todos.

n  Son multipotentes

n  Otros tipos de células madre:

n  Células madre fetales: Aisladas de fetos cuyo desarrollo fue interrumpido.

n  Células madre extraídas del cordón umbilical, tras el nacimiento. Son del tipo de las embrionarias y por tanto pluripotentes.

n  Células germinales embrionarias (EGC embryonic germ cells) células madre germinales de óvulos y espermatozoides. Pueden dar a todo tipo de células.

n  Aplicaciones de células madre: Una esperanza en biomedicina

n  1. Testar toxinas y nuevos fármacos.

n  2. Estudio del desarrollo embrionario.

n  3. Terapias celulares y trasplantes. Reparar órganos y tejidos, por ejemplo en la médula ósea curaría la leucemia, o células madre en el cerebro para pacientes con problemas en el sistema nervioso, regenerando neuronas.

n  4. Autotrasplantes (medicina regenerativa). A partir de células madre embrionarias derivadas del propio paciente, a partir de embriones clónicos, las cuales son pluripotentes, que pueden regenerar los tejidos necesarios sin dar lugar a rechazo en el paciente.