Biotecnología

Biotecnología: el uso de organismos vivos o de sus componentes en la obtención de productos útiles para las personas es la base de la biotecnología. Pan, vino, yogur, etc., son productos fabricados desde tiempos muy antiguos usando técnicas de biotecnología; concretamente todos se obtienen mediante la fermentación microbiana.

Enzimas de restricción y ADN recombinante

Enzimas de restricción: dieron origen a la ingeniería genética. Son producidas por bacterias y las protegen del ADN extraño, ya que se encargan de degradarlo cortándolo en pequeños fragmentos. No degradan su propio ADN, porque este está protegido por grupos metilo adicionales que bloquean la acción de las enzimas. Estas enzimas son específicas y se agrupan en tres tipos; reconocen en el ADN una pequeña secuencia de bases y el sitio de restricción para luego cortar las dos hebras del ADN por ese lugar.

Tecnología del ADN recombinante: permite cortar la molécula de ADN en lugares concretos para unir los fragmentos obtenidos con un ADN procedente de una fuente diferente y lograr un ADN recombinante (una molécula). Esta tecnología se desarrolló a partir del descubrimiento de las enzimas de restricción.

Clonación

Clonación: es un proceso que consiste en la producción de individuos genéticamente idénticos mediante reproducción asexual. Referido al ADN, consiste en producir múltiples copias de una región del mismo o generar ADN complementario (ADNc) a partir de ARN mensajero en el interior de un organismo.

Requisitos del hospedador

El hospedador debe cumplir varias condiciones: ser de crecimiento rápido (para obtener más generaciones en menos tiempo), no ser patógeno, favorecer la entrada del ADN recombinante en su interior e incorporar a su genoma el ADN de interés, además de ser bien conocido y fácilmente manipulable. Para incorporar el ADN fragmentado que se quiere clonar se emplean vectores de clonación (moléculas capaces de transportar ADN extraño y replicarse dentro del organismo hospedador).

Tipos de vectores

• Plásmidos: moléculas de ADN bicatenario, de pequeño tamaño y estructura circular cerrada, presentes en el citoplasma de numerosas bacterias. No forman parte del cromosoma bacteriano y pueden replicarse independientemente. Muchos llevan genes que confieren resistencia a algunos antibióticos.
• Virus bacteriófagos: infectan bacterias y se usan como vectores.
• Cósmidos: vectores híbridos que combinan características de plásmidos y bacteriófagos.
• Cromosomas artificiales: tienen capacidad de llevar ADN de gran tamaño.

Genotecas

Genoteca: es una colección de clones que contiene todos los fragmentos de ADN obtenidos por la escisión del genoma completo de una especie, de un solo gen o de una porción de un gen. Pueden representar el genoma completo de un individuo, un solo cromosoma o el conjunto de genes activos en un tipo celular.

PCR (Reacción en cadena de la polimerasa)

PCR: es un tipo de clonación no celular que permite amplificar, es decir, copiar muchas veces una muestra muy pequeña de ADN. Los materiales necesarios son:

• La muestra de ADN que se quiere amplificar.
• Una pequeña secuencia de nucleótidos que actúa como cebador (primer).
• Una fuente de calor (ciclos térmicos).
• ADN polimerasa termoestable (por ejemplo, la Taq polimerasa).
• Una cantidad adecuada de nucleótidos para formar nuevas hebras de ADN.

Etapas de la PCR

1. Desnaturalización: se calienta la mezcla de reacción, con lo que se desnaturaliza el ADN y cada una de las cadenas simples sirve de molde para sintetizar una nueva cadena complementaria.
2. Hibridación: se enfría la mezcla para que los cebadores se puedan unir mediante enlaces de hidrógeno a cada extremo de las hebras de ADN separadas en la etapa anterior.
3. Extensión: se forman las nuevas hebras de ADN gracias a la acción de la Taq polimerasa (va agregando nucleótidos en el extremo 3′ del cebador).

Al final del primer ciclo se obtienen dos moléculas de ADN que se someten a otro ciclo para conseguir cuatro moléculas de ADN; tras el tercer ciclo son ocho, y así sucesivamente hasta lograr el número de copias necesarias.

Aplicaciones de la PCR

• Se pueden amplificar y analizar muestras minúsculas de ADN.
• Analizar el ADN de células de embriones humanos en busca de trastornos genéticos.
• Detectar y analizar ADN de genes virales difíciles de obtener por otros métodos.

Genómica y Proteómica

Genómica: se emplea para el estudio del genoma de un organismo en su conjunto; consiste en identificar todos los genes de ese organismo, descubrir cómo son regulados y determinar su ARN.

Proteómica: disciplina que lleva a cabo el estudio sistemático del conjunto completo de las proteínas codificadas por el genoma de un organismo.

Ingeniería genética y medicina

Aplicaciones médicas: la ingeniería genética ha permitido la obtención de medicamentos como la insulina humana, uno de los primeros fármacos autorizados para uso en humanos para el tratamiento de la diabetes. La hormona del crecimiento está disponible para el tratamiento del enanismo hipofisario.

Medicina forense: la identificación de regiones cromosómicas que se pueden utilizar como marcadores genéticos permite emplear esas diferencias como una huella genética individual, usada en medicina forense para la identificación de restos humanos.

Terapia génica

Terapia génica: proceso mediante el cual se inserta material genético en células afectadas con el fin de reemplazar genes defectuosos y corregir el daño que han causado al organismo. Busca eliminar las causas de la enfermedad en lugar de reducir sus síntomas. Se puede llevar a cabo en células germinales y en células somáticas. En las células somáticas, las formas de actuación son:

• Ex vivo: se extraen células del paciente, se corrige el defecto genético en laboratorio y luego se reimplantan.
• In vivo: transferencia de genes directamente al paciente mediante un vector.
• In situ: la intervención se realiza en las células del paciente en el lugar donde se necesita la corrección.

Ingeniería genética en plantas y procesos biotecnológicos

La técnica de ADN recombinante ha permitido ir un paso más allá: ahora es posible introducir en una planta ADN de otra especie, incluso procedente de animales o bacterias, y conseguir con ello plantas transgénicas con diferentes características, entre ellas resistencia a herbicidas, mejora del producto y plantas farmacéuticas.

Procesos

• Biorremediación: existen bacterias que de forma natural son capaces de degradar materia orgánica. Mediante ingeniería genética se pueden mejorar su rendimiento; estas bacterias transgénicas se pueden emplear, por ejemplo, para la limpieza de vertidos de hidrocarburos.
• Bioadsorción: algunas bacterias genéticamente modificadas son capaces de adsorber ciertos metales pesados que contaminan el suelo.

Obtención de medicamentos por ingeniería genética

1. Se obtienen óvulos de una hembra y se fertilizan in vitro.
2. Se clona el gen de interés.
3. Se implantan los embriones en el útero de una madre sustituta.
4. Se obtiene la leche de los descendientes que expresan la proteína de interés.
5. Se fraccionan y purifican las proteínas para su uso como medicamentos.

Conclusión

La biotecnología, a través de técnicas como las enzimas de restricción, el ADN recombinante, la clonación y la PCR, junto con el avance de la genómica y la proteómica, ha transformado la medicina, la agricultura y la gestión ambiental. Estas tecnologías permiten desde la obtención de fármacos y terapias génicas hasta soluciones para la contaminación y la mejora de cultivos mediante plantas transgénicas.