Biotecnología
📚📙¡Hola lectores! 📘📚
Hoy voy a abordar un tema que a veces suele ser controversial, pero creo
realmente como científica, que puedo brindar una visión objetiva y didáctica
sobre esta rama de la biología que no sólo es muy interesante, sino que es sumamente
útil no solo para beneficio de la humanidad, también para la sustentabilidad y
recuperación del medio ambiente.
Definición de Biotecnología
En un sentido amplio, la BIOTECNOLOGÍA se puede entender como la alteración
de organismos, células o moléculas biológicas para alcanzar un fin práctico. De
acuerdo a esta definición la biotecnología es casi tan antigua como la
civilización misma.
La investigación arqueológica nos desvela que hace ya 10000 años las
culturas neolíticas egipcias usaban células de levadura para elaborar cerveza;
es decir manipulaban un organismo de forma deliberada para conseguir un producto.
El cultivo selectivo de plantas y la crianza de animales con fines prácticos tiene una historia igualmente larga. Desde hace siglos se seleccionan los granos de arroz, los tomates, zanahorias y demás vegetales con el objetivo de conservar aquellas variedades con características atractivas, como frutas más grandes, verduras más duraderas o nutritivas (Figura 1).
Otro ejemplo de
crianza selectiva son las diferentes razas de perro (Figura 2). Se
seleccionaron características que se fueron conservando a lo largo de las
generaciones. Es decir, se ha manipulado la genética canina para aumentar la
variedad y obtener características que son deseadas por el ser humano.
Controversial, sí. Adoptemos a los perritos que nacen libremente.
Figuras 1 y 2. Cultivo y crianza selectiva
Historia de la Biotecnología
Hace poco más de 20 años, fragmentos de calabaza encontrados en México resultaron tener una antigüedad de 8000 a 10000 años. Lo curioso de estas antiguas calabazas es que tienen semillas más grandes y una cáscara más gruesa que las variedades silvestres.
Este hallazgo se entendió como un indicio de cultivo selectivo por seres humanos: aunque sin saberlo, estas personas estaban realizando una manipulación genética. El arte rupestre sugiere que también se domesticaban y criaban selectivamente a perros, ovejas, cabras, cerdos, camellos y caballos desde hace alrededor de 10000 años.
El cultivo y la crianza selectivos sigue siendo una herramienta importante
en la biotecnología. Sin embargo, la ingeniería genética ha cobrado gran
relevancia, convirtiéndose en las bases modernas de la biotecnología.
Ingeniería Genética
La ingeniería genética se encarga, a grandes rasgos, de modificar el material genético de células u organismos para alcanzar objetivos prácticos.A modo de resumen, los principales objetivos de la ingeniería genética son:
👉Aprender más acerca de los procesos celulares, entre ellos la herencia y
la expresión de genes.
👉Ofrecer una mejor comprensión y tratamiento de las enfermedades
hereditarias, trastornos genéticos, terapias génicas, etc.
👉Generar ventajas económicas y sociales, como la producción de moléculas
biológicas valiosas como pueden ser algunas proteínas y mejores plantas para la
agricultura, por ejemplo, con algún gen de resistencia a alguna plaga.
¿Cómo se obtiene el ADN recombinante?
Una herramienta fundamental de la ingeniería genética es el ADN recombinante. El ADN recombinante contiene genes o partes de genes de diferentes organismos.
El ADN se puede “cultivar” en bacterias, virus o levaduras para
luego transferirlo a otras especies, incluidos plantas y animales. Los
organismos que reciben y expresan estos fragmentos de ADN que ha sido
modificado u obtenido de otras especies, se conocen como transgénicos.
Desde su desarrollo en la década del ’70, esta tecnología ha crecido y ha
aportado nuevos métodos, aplicaciones y posibilidades de ingeniería genética y
biotecnología. Actualmente, casi todos los laboratorios de investigación
dedicados a la biología celular, la genética y la base molecular de las
enfermedades y la evolución utilizan la tecnología del ADN recombinante en sus
ensayos.
Un ejemplo de una proteína obtenida por expresar su gen en bacterias es la
Insulina humana. De esta forma, se puede elaborar de forma comercial y así
alcanzar a muchos pacientes que padecen diabetes.
La recombinación del ADN es un proceso que ocurre
en la naturaleza
Tendemos a pensar que la constitución genética de una especie es relativamente estática y estable. Sin embargo, mucha evidencia biológica y estudios evolutivos ha demostrado que el ADN puede transferirse de un organismo a otro. Si lo pensamos de manera sencilla, conocemos muy bien un tipo de transferencia de ADN de la mayoría de los organismos pluricelulares: la reproducción sexual.
Por lo tanto, podemos clasificar los procesos naturales de recombinación del material genético en 3 grupos principales:
Reproducción sexual
Se trata del entrecruzamiento producido durante la meiosis I donde se intercambia el ADN de cada cromosoma materno con el ADN homólogo del cromosoma
paterno. Luego del entrecruzamiento, los cromosomas contienen nuevas
combinaciones de alelos que son diferentes de las combinaciones maternas y
paternas. Es por esto que las personas no son iguales entre sí ni iguales a sus
padres (las únicas personas iguales entre sí, son los gemelos monocigóticos).
Transformación bacteriana
Se llama transformación bacteriana al proceso que permite a las bacterias capturar ADN libre del ambiente. Este ADN libre puede ser parte del cromosoma de otra bacteria de la misma especie o, de una especie diferente.
También puede haber
transformación cuando las bacterias capturan diminutas moléculas circulares de
ADN que se denominan plásmidos. Muchos tipos de bacterias contienen
plásmidos y estos también se encuentran en algunos hongos, algas y protistas.
Cuando la bacteria muere, libera estos plásmidos al ambiente, donde son
nuevamente capturados por otras bacterias.
¿Qué ventaja evolutiva permite la existencia de los plásmidos?
El cromosoma de la bacteria contiene todos los genes que la célula necesita para su supervivencia básica. Sin embargo, los genes aportados por los plásmidos permiten a las bacterias crecer en ambientes nuevos.
¿Por qué?
Porque algunos
plásmidos contienen genes que les permiten a las bacterias metabolizar fuentes
de energía novedosas, como petróleo u otros hidrocarburos. Otros plásmidos
contienen genes que permiten a la bacteria crecer en medios con presencia de antibióticos.
Figura 3. Esquema de una bacteria con plásmidos en su citoplasma.
Infección viral
Los virus transfieren ADN entre bacterias y entre eucariotas. Los virus, que son básicamente material genético envuelto en una cubierta proteica, son capaces de transferir su material genético a las células durante la infección (como el COVID 19 no nos permite olvidar).
Una vez dentro de la célula infectada, los genes virales se replican y dirigen la síntesis de proteínas virales. Los genes replicados y las nuevas proteínas virales se ensamblan dentro de la célula y forman nuevos virus que son liberados y están maduros para infectar otras células.
Durante muchas infecciones virales, las secuencias de ADN viral se incorporan a uno de los cromosomas de la célula que infectan. El ADN viral puede entonces permanecer allí durante días, meses o incluso años.
La célula replica el ADN
viral junto con el ADN propio. Cuando se producen nuevos virus a partir del ADN
incorporado, éstos pueden integrar por error genes humanos en los genes
virales, creando así, un virus recombinante.
Figura 4. Esquema de una Infección viral.
¿Entonces cómo se recombina el ADN en los laboratorios?
Como siempre, el ser humano aprende de la observación de la naturaleza, así
que si las bacterias pueden incorporar plásmidos y los virus pueden usar la
maquinaria de replicación de las células que infectan para reproducirse e
intercambiar genes ¿se podrían emplear estas herramientas naturales para
manipular la genética en el laboratorio? Sí, y así fue y es. Veamos brevemente
cómo se logra con un ejemplo:
La hormona de crecimiento humana (GH, por sus siglas en inglés growth
hormone) es producida por la hipófisis. Durante décadas, solamente se pudo
obtener mediante la extracción de las hipófisis pero más recientemente, se ha
producido mediante la ingeniería genética y está disponible para el tratamiento
como hormona de crecimiento humana recombinante (rhGH) (Figura 5).
Figura 5. Cronología del desarrollo biotecnológico de la GH (Adaptado de Saenger P, 2017).
Producción esta proteína humana recombinante mediante la biotecnología.
En una primera instancia se aisló la hormona de crecimiento como tal del
órgano que la produce, la hipófisis. Antes del desarrollo de la tecnología del
ADN recombinante, la GH para la terapia de reemplazo solo podía obtenerse
mediante extracción y purificación de glándulas pituitarias humanas de cadáveres.
Por lo tanto, el suministro, como es de suponer, su disponibilidad era escasa y
la terapia de reemplazo de GH se reservó solo para los casos más graves de
deficiencia de la hormona del crecimiento (GHD).
Con la era de la genética, la clonación y el desarrollo de la biología
molecular, se logró aislar el gen y producir esta hormona a partir de su
secuencia genética en bacterias. Produciendo así la hormona de crecimiento recombinante
humana. El advenimiento de un suministro abundante de rhGH fue un hito
importante, que permitió el tratamiento de más niños (y posteriormente adultos)
con GHD y expansión de uso a otras indicaciones.
¿Cómo se desarrolla esta tecnología?
Para lograr este objetivo, lo primero es buscar el gen que codifica para
esta proteína. Sabemos que el ADN no es muy estable fuera del núcleo de la
célula y, además, las células eucariotas poseen genes codificados con exones e
intrones. Esto significa que el ADN tal como
está es más largo que la secuencia precisa que se necesita para producir una
proteína. Sin embargo, el ADN se transcribe y procesa a ARN. Una molécula más
estable y, además, se procesa dentro de la célula dejando una secuencia de
información adecuada para su traducción, es decir para sintetizar una proteína.
A esta molécula de ARN que codifica para la proteína, la llamamos ARN mensajero
(ARNm).
El ARNm que codifica para la GH es extraído de la hipófisis y debe ser nuevamente
transformado en ADN para su producción en bacterias. Esto se logra mediante la
retrotranscripción reversa utilizando enzimas aisladas de virus. Ahora lo que
tenemos es lo que se denomina ADNc (ADN complementario). Este ADN es una
molécula de doble cadena, en la que una de sus hebras constituye una secuencia
totalmente complementaria al ARN mensajero a partir del cual se ha
sintetizado.
Una vez obtenido el ADNc, éste es cortado por enzimas de restricción o
endonucleasas de restricción (que fueron aisladas de bacterias y hoy en día se
comercializan como insumos para laboratorios). Estos cortes en el ADN dejan
extremos libres disponibles de simple cadena que pueden aparearse con
secuencias complementarias. ¿para qué? Recordemos que necesitamos producir
mucha de esta hormona. Antes vimos que las bacterias pueden transformarse, captar
ADN del ambiente e incorporar plásmidos que utilizan para sintetizar proteínas
que tal vez no están codificadas en su ADN. Por lo tanto, eh aquí nuestra
herramienta…¡tenemos bacterias y tenemos plásmidos!
Si tomamos ese plásmido, y cortamos una secuencia con las mismas enzimas
que se cortó el fragmento de ADNc, ahora vamos a tener secuencias
complementarias de ADNc y de ADN del plásmido.
Ahora se pueden mezclar los plásmidos cortados con el ADNc que codifica
para la hormona de crecimiento. Debemos poner en esta mezcla una enzima que
ayude a que se “peguen” los extremos de ADN plasmídicos con los del ADNc. A
estas enzimas se las denomina Ligasas. Una vez logrado esto, tenemos entonces…¡ADN
recombinante!.
Este nuevo plásmido con un gen humano puede ser inoculado en bacterias (en
general se utilizan E. coli). Estas se van a encargar entonces de
amplificar las copias de los plásmidos. Podemos aislar nuevamente las copias de
plásmidos y transformar otras cepas bacterianas capaces de sintetizar con mayos
eficiencia proteínas. Estas se encargarán de traducir mucha de la proteína que
está codificada en el ADNc y así se pueden obtener muchas copias de la hormona
de crecimiento. Luego se extraen de las bacterias y están disponibles para su
uso (Figura 6).
Figura 6. Esquema simplificado de la tecnología del ADNc
Este fue un breve ejemplo de como la biotecnología puede estar al servicio de encontrar tratamientos novedosos y efectivos para tratar patologías y así mejorar la calidad de vida de muchas personas.
