Se utilizan con frecuencia dos tipos de vectores de
clonación: plásmidos y virus. De introducirlos en
las célulashospedadoras.
Plásmidos. Son moléculas de adn
circular, con un tamaño menor que el del cromosoma. Se
replican con independencia del cromosoma bacteriano ya que
tienen su propio origen de replicación.
En esta secuencia de dibujos se puede ver
como se realiza la inserción de un gen en un
plásmido
Figura a En la figura a tenemos un gen (color rojo) que | Figura b En la figura b, vemos como una enzima de |
Figura c | La unión del adn que contiene el gen que se |
Genomas de otros virus. El proceso es similar, se
trata de insertar el gen deseado en un fragmento de adn
vírico (figura d) posteriormente se ensamblarán
las distintas partes del virus (figura e). Así
quedará el virus completo(figura f).en el siguiente
paso se insertará este adn por el proceso de la
transducción.
Figura d | Figura e | Figura f |
otros genes denominados marcadores, que sirven para
identificar las células que contienen el vector de
clonación. Se suelen utilizar como marcadores, genes
de resistencia a antibióticos y genes de
bioluminiscencia.Genes de resistencia a antibióticos. Sirven
para identificar bacterias que contienen el vector de
clonación, porque estas bacterias serán
resistentes al antibiótico del gen
marcador.Genes de luminiscencia. En este caso, la
célula que contenga el gen que se quiere clonar,
tendrá la propiedad de emitir luz, ya que el marcador
que se le incorpora determina que se exprese esa
característica. Este sistema se emplea cuando la
célula hospedadora es una célula
eucariota.
Métodos de
introducción del vector
El siguiente paso será introducir el vector
de clonación que contiene el gen que se quiere clonar
en la célula hospedadora, para que ésta, al
multiplicarse, origine un clon celular que lleve el
gen concreto.
Existen varios métodos que dependerán del
tipo de célula fundamentalmente.
En bacterias (células procariotas), mediante
estos procesos:
Transformación. Ocurre espontáneamente
en ciertos tipos de bacterias y se consigue artificialmente
sometiendo a la célula bacteriana a tratamientos
físicos y químicos.
La célula capta moléculas de adn que se
encuentran en el medio externo, las introduce en su interior y
las incorpora a su genoma.
1 | 2 |
3 | 4 |
Transducción. Este método consiste en
introducir el adn en la célula hospedadora mediante un
virus, utilizando como vector de clonación el genoma
del virus.
En la siguiente figura puede verse el proceso en tres
etapas. El número 1 corresponde al virus
aproximándose a una bacteria. Se puede observar como lleva
un genoma ya con el gen que interesa clonar. El siguiente momento
2, corresponde al contacto entre el virus y la pared bacteriana,
en cuya zona de contacto se produce un poro por donde como vemos
en la etapa 3, el virus inyecta su adn al interior de la
célula bacteriana.
1 | 2 |
3 |
Clonado del
ADN
Una vez que se ha conseguido la población de
bacterias transformadas, (recuerda que llevan además del
gen de interés un gen por ejemplo de resistencia a un
antibiótico por ejemplo un gen de resistencia a la
ampicilina), por lo que las bacterias que se consideran
transformadas, serán aquellas que sobrevivan.
El siguiente paso es poner a las bacterias en un medio
de cultivo apropiado para que se multipliquen. A la vez que se
reproducen las bacterias lo hace también el
plásmido con el gen que interesa, el resultado es que se
obtiene un clon de células que llevan todas ese gen de
interés. Se pueden formar por tanto diferentes clones con
genes de interés para el
hombre. Este conjunto de clones se denomina biblioteca
genómica.
Reacción en
cadena de polimerasa (PCR)
Es una técnica que permite duplicar un
número ilimitado de veces un fragmento de adn en un tubo
de ensayo. Mediante esta técnica pueden generarse millones
de moléculas idénticas, a partir de una
molécula de adn. Esto se puede conseguir en unas
horas.
La reacción es muy sencilla, necesita cantidades
de adn muy pequeñas y sólo se precisa un tubo de
ensayo, algunos reactivos, una fuente de calor y unas
pequeñas cadena de nucleótidos que actúan
como cebadores.
La reacción es un proceso
cíclico:
La molécula de adn que va a copiarse se
calienta para que se desnaturalice y se separe las dos
hebras.Cada una de las hebras es copiada por la
adn-polimerasa. (se utiliza la adn-polimerasa de una bacteria
que vive en aguas termales, thermus aquaticus, así la
enzima puede trabajar a altas temperaturas).Las cadenas recién formadas son separadas de
nuevo por el calor y comienza otro nuevo ciclo de copias.
Estos ciclos se repiten hasta que se obtiene el número
de copias deseado.
CURIOSIDADES
La potencialidad de esta técnica es
impresionante, a partir de una sola molécula de adn, la
pcr puede generar 100000 millones de moléculas
idénticas en una tarde.El adn puede proceder de una
muestra de tejido de un hospital, de una gota de sangre
o semen en la escena de un delito, o de un cerebro
momificado.
APLICACIONES DE LA PCR
Secuenciación
Una de las razones más comunes para el uso de la
pcr es la formación de suficiente cantidad de adn molde
para su secuenciación. Es mucho más sencillo y
rápido que la clonación en
células.
Estudios evolutivos
Mediante la pcr se pueden amplificar genes de organismos
ya extinguidos, como del mamut, o restos antiguos humanos. Se
pueden comparar estos genes con los genes semejantes de
organismos actuales y poder reconstruir árboles
filogenéticos. El pcr también se ha utilizado para
conseguir el mapa del genoma humano.
Huellas dactilares
del ADN
La determinación de las huellas dactilares
genéticas constituye una de las aplicaciones más
interesantes de la pcr. Mediante esta técnica es posible
comparar muestras diferentes de adn para comprobar si pertenecen
al mismo individuo o no, o si existe parentesco entre ellas. Esta
técnica se aplica actualmente en medicina forense e
investigaciones policiales, con el fin de identificar indiividuos
a partir de muestras biológicas, como sangre, semen, piel
o cabellos. También se utiliza en las pruebas de
paternidad.
La
transgénesis
La transgénesis se puede definir como la
introducción de ADN extraño en un genoma, de modo
que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las
células en los organismos multicelulares. Generalmente, en
animales, el ADN extraño, llamado transgen, se
introduce en zigotos, y los embriones que hayan integrado el ADN
extraño en su genoma, previamente a la primera
división , producirán un organismo
transgénico; de modo que el transgén pasará
a las siguientes generaciones a través de la linea
germinal (gametos).
Entre las aplicaciones de los animales
transgénicos se pueden destacar:
La posibilidad de estudiar a nivel molecular el
desarrollo embrionario y su regulación.Manipular de forma específica la
expresión génica in vivo.Estudiar la función de genes
específicos.Poder utilizar a mamíferos como
biorreactores para la producción de proteinas
humanas.La corrección de errores innatos de
metabolismo mediante terapia génica.
La transgénesis puede efectuarse siguiendo dos
estrategias distintas:
TRANSGÉNESIS POR MICROINYECCIÓN DE
ZIGOTOS
Desde que en 1982 se obtuviera un
ratón transgénico, la producción de animales
transgénicas es cada vez más cotidiana, existiendo
ya animales transgénicos de las siguientes especies:
ratón, rata, conejo, cerdo, vaca, cabra y oveja.
La técnica se realiza, fundamentalmente por
microinyección y se realiza de la siguiente
forma:
En la primera fase, se aislan un
número grande de óvulos fertilizados. Se
consigue sometiendo a las hembras a un tratamiento
hormonal para provocar una
superovulación. La fertilización puede
hacerse in vitro o in vivo.En la segunda fase, los zigotos obtenidos se
manipulan uno a uno y con una micropipeta a modo de aguja, se
introduce una solución que contiene ADN.En la tercera fase, estos óvulos son
reimplantados en hembras que actuarán como nodrizas
permitiendo la gestación hasta
término.
Por último, tras el destete de los recién
nacidos, éstos se chequean, para ver si ha ocurrido la
incorporación del transgén.
TRANSGÉNESIS POR MANIPULACIÓN DE
CÉLULAS EMBRIONARIAS.
Una estrategia más poderosa para la
transgénesis implica la introducción de ADN
extraño en células embrionarias
totipotentes(células ES) o células embrionarias
madres (células EM). Estas células se toman del
interior de la blástula en desarrollo y se pasan a
un medio donde se tratan con distintos productos con lo que se
conseguirá que las células no se diferencien, y se
mantiene su estado embrionario.
El ADN extraño se introduce en las células
ES mediante diversas técnicas,posteriormente las
células transfectadas son reintroducidas en una
blástula y ésta reimplantada en una
hembra.
Con esta técnica los neonatos son quimeras ; pero
mediante el cruce de éstas se consiguen animales
transgénicos con aquellas quimeras que hayan incorporado
el transgén en su linea germinal
Plantas
transgénicas
En un sentido amplio, podría decirse que la
Mejora de Plantas se remonta a los tiempos más antiguos
mediante la aplicación intuitiva de procesos de
selección.
Los orígenes de la Genética están
íntimamente relacionados con la investigación de
los hibridistas experimentales de plantas. A partir del
redescubrimiento de las leyes de Mendel, la aplicación de
los conocimientos genéticos impulsó el desarrollo
de la Mejora.
La Mejora Genética de Plantas tiene como fin
último obtener los genotipos que produzcan los fenotipos
que mejor se adapten a las necesidades del hombre en unas
circunstancias determinadas. Aspectos parciales de ese objetivo
final son:
Aumentar el rendimiento:
Mejora de productividad, aumentando la
capacidad productiva potencial de los individuos.Mejora de resistencia, obteniendo genotipos
resistentes a plagas, enfermedades y condiciones ambientales
adversas.Mejora de características
agronómicas, obteniendo nuevos genotipos que se
adaptan mejor a las exigencias y aplicación de la
mecanización de la agricultura.
Aumentar la calidad:
Mejora de calidad, atendiendo, por ejemplo,
al valor nutritivo de los productos vegetales
obtenidos.Extender el área de
explotación, adaptando las variedades de las
especies ya cultivadas a nuevas zonas geográficas con
características climáticas o
edafológicas extremas.Domesticar nuevas especies, transformando a
especies silvestres en cultivadas con utilidad y rentabilidad
para el hombre.
Los métodos convencionales de la Mejora han sido
los cruzamientos y la selección complementados en
ocasiones con técnicas citogenéticas y de
mutagénesis artificial. Sin embargo, mediada la
década de los ochenta se inició la
aplicación de la ingeniería genética
molecular en la Mejora mediante la utilización de
plantas transgénicas.
La ingeniería genética molecular ha sido
considerada como una poderosa herramienta adicional para la
agricultura, ya que en 1983 se demostró por primera vez
que era posible transferir un gen extraño al cromosoma de
las células vegetales de plantas intactas, siendo
así plantas transgénicas, por que se les introdujo
un nuevo gen que constituye parte de su genoma. Este nuevo gen
les confiere una característica que antes no
poseían, la que puede ser transmitida a las generaciones
siguientes.
Esta técnica se ha refinado y constantemente se
perfecciona, para permitir trabajar en distintos grupos y lograr
una transformación más estable. Es posible hoy
introducir en una planta genes provenientes no sólo de
otras plantas, sino de cualquier otro organismo, virus, bacteria,
animal o levadura.
Transformación vegetal
Una técnica para la transformación de una
planta debe permitir la "creación" de organismos que
incorporen y expresen una secuencia extraña de ADN dentro
de su genoma. Más específicamente, el sistema de
transformación deberá permitir:
Introducción de la(s) secuencia(s) e
integración estable al genoma.Selección eficiente de las células
transformadas.Regeneración completa de plantas que expresen
los genes deseados.
Actualmente se utilizan métodos de
transformación con un sistema de introducción de
ADN por vectores biológicos, principalmente
Agrobacterium tumefaciens, o directamente, por bombardeo
con partículas, ya sea por microinyección,
electroporación o mediada por glicol polietilénico
(PEG).
Biología de
agrobacterium tumefaciens
Esta bacteria, presente en el suelo, es patógena
de muchas plantas a las que produce un tumor conocido como
"agalla de cuello". Penetra en los tejidos vegetales causando una
proliferación celular.
Durante el contacto con las células
vegetales la bacteria transfiere a las células vegetales
un plásmido llamado ti (inductor de tumores). Este
plásmido se integra en el adn del cromosoma de la
célula vegetal. Este plásmido transferido o t-adn
contiene los genes oncogénicos (onc) cuya expresión
provoca una mayor producción de hormonas de crecimiento,
éstas son las que inducen las divisiones celulares que dan
origen a la formación del tumor o agalla.
Este fenómeno natural es empleado para utilizar a
la bacteria agrobacterium tumefaciens como vector de los genes
que se desean introducir en una célula vegetal, con lo que
se transforma dicha célula, la cual puede regenerar, por
micropropagación, una planta entera que será
transgénica.
AGROBACTERIUM: UN PRECURSOR NATURAL DE LOS
BIOTECNÓLOGOS
La bacteria agrobacterium tumefaciens contiene como ya
vimos en un punto anterior, un plásmido ti, que contiene
los genes responsables de su virulencia, llamados genes
onc.
Cuando la bacteria infecta a la planta, provocando en
ella un tumor, una parte del plásmido ti, llamada t-adn,
que contiene los genes onc, es transferida al núcleo de la
célula vegetal y se inserta en un cromosoma de la
planta.
De esta manera, la bacteria modifica la
información genética de la planta,
añadiéndole los genes onc. Agrobacterium se
comporta , de esta forma, como un ingeniero genético
natural.
Si en el plásmido ti se eliminan
artificialmente los genes onc y se sustituyen por otros genes que
interese clonar, se habrá obtenido un sistema muy eficaz
para introducir adn interesante a la planta, al mismo tiempo que
se habrá evitado la aparición de la
enfermedad.
PLANTAS QUE SE ILUMINAN
En la transfección vegetal con agrobacterium se
ha ensayado un marcador inusual: el gen de la enzima luciferasa,
de las luciérnagas. El sustrato de esta enzima es una
proteina llamada luciferina, que con atp y oxígeno
desprende luz.
Plásmidos ti con este marcador, se
transfirieron a células de tabaco, con las que se formaron
nuevas plantas. Las nuevas plantas obtenidas se regaron en la
oscuridad con
agua y luciferina disuelta. El resultado fue sorprendente:
las plantas se iluminaron como si fuesen unas bombillas de poca
potencia o un dibujo de un anuncio fluorescente.
Entre las técnicas directas, se pueden citar
la electroporación, microinyección, liposomas y
métodos químicos.
Plantas transgénicas
Entre los principales caracteres que se han transferido
a vegetales o se han ensayado en su transfección, merecen
destacarse:
Resistencia a herbicidas, a insectos y a
enfermedades microbianas.
Ya se dispone de semillas de algodón, que son
insensibles a herbicidas. Para la resistencia a los insectos se
utilizan cepas de bacillus thuringiensis que producen una toxina
(toxina – bt) dañina para las larvas de muchos insectos,
de modo que no pueden desarrollarse sobre las plantas
transgénicas con este gen. Respecto a los virus se ha
demostrado que las plantas transgénicas con el gen de la
proteina de la cápsida de un virus, son resistentes a la
invasión de dicho virus.
Incremento del rendimiento
fotosintético
Para ello se transfieren los genes de la ruta
fotosintética de plantas c4 que es más
eficiente.
Mejora en la calidad de los productos
agrícolas
Tal es el caso de la colza y la soja transgénicas
que producen aceites modificados, que no contienen los caracteres
indeseables de las plantas comunes.
Síntesis de productos de interés
comercial
Existen ya plantas transgénicas que producen
anticuerpos animales, interferón, e incluso elementos de
un poliéster destinado a la fabricación de
plásticos biodegradables
Asimilación de nitrógeno
atmosférico
Aunque no hay resultados, se ensaya la
transfección del gen nif responsable de la
nitrogenasa, existente en microorganismos fijadores de
nitrógeno, y que permitiría a las plantas que
hospedasen dicho gen, crecer sin necesidad de nitratos o abonos
nitrogenados, aumentando la síntesis de proteinas de modo
espectacular.
LA TRANSGÉNESIS EN ANIMALES
La transgénesis se puede definir como la
introducción de adn extraño en un genoma, de modo
que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las
células en los organismos multicelulares. Generalmente, en
animales, el adn extraño, llamado transgen, se introduce
en zigotos, y los embriones que hayan integrado el adn
extraño en su genoma, previamente a la primera
división , producirán un organismo
transgénico; de modo que el transgén pasará
a las siguientes generaciones a través de la linea
germinal (gametos).
Entre las aplicaciones de los animales
transgénicos se pueden destacar:
La posibilidad de estudiar a nivel molecular el
desarrollo embrionario y su regulación.Manipular de forma específica la
expresión génica in vivo.Estudiar la función de genes
específicos.Poder utilizar a mamíferos como biorreactores
para la producción de proteinas humanas.La corrección de errores innatos de
metabolismo mediante terapia génica.
La transgénesis puede efectuarse siguiendo
dos estrategias distintas:
TRANSGÉNESIS POR MICROINYECCIÓN DE
ZIGOTOS
Desde que en 1982 se obtuviera un ratón
transgénico, la producción de animales
transgénicas es cada vez más cotidiana, existiendo
ya animales transgénicos de las siguientes especies:
ratón, rata, conejo, cerdo, vaca, cabra y
oveja.
La técnica se realiza, fundamentalmente por
microinyección y se realiza de la siguiente
forma:
En la primera fase, se aislan un número
grande de óvulos fertilizados. Se consigue sometiendo
a las hembras a un tratamiento hormonal para provocar una
superovulación.La fertilización puede hacerse in vitro o in
vivo.En la segunda fase, los zigotos obtenidos se
manipulan uno a uno y con una micropipeta a modo de aguja, se
introduce una solución que contiene adn.En la tercera fase, estos óvulos son
reimplantados en hembras que actuarán como nodrizas
permitiendo la gestación hasta
término.
Por último, tras el destete de los recién
nacidos, éstos se chequean, para ver si ha ocurrido la
incorporación del transgén.
TRANSGÉNESIS POR MANIPULACIÓN DE
CÉLULAS EMBRIONARIAS.
Una estrategia más poderosa para la
transgénesis implica la introducción de adn
extraño en células embrionarias totipotentes
(células es) o células embrionarias madres
(células em).
Estas células se toman del interior de la
blástula en desarrollo y se pasan a un medio donde se
tratan con distintos productos con lo que se conseguirá
que las células no se diferencien, y se mantiene su estado
embrionario.
El adn extraño se introduce en las células
es mediante diversas técnicas,posteriormente las
células transfectadas son reintroducidas en una
blástula y ésta reimplantada en una
hembra.
Con esta técnica los neonatos son quimeras ; pero
mediante el cruce de éstas se consiguen animales
transgénicos con aquellas quimeras que hayan incorporado
el transgén en su linea germinal.
Cuando la integración del transgén ocurre
después de la primera división celular, el animal
es quimérico, lo que quiere decir que las células
de su cuerpo tienen diferentes características,
según tengan o no el transgén, así en la
"ovecabra" quimera entre oveja y cabra, las células de su
piel, unas producían lana y otras pelo
Clonación de
animales
El principio de la clonación está en la
obtención de organismos idénticos
genéticamente, y por tanto morfológic y
fisiológicamente, como lo son dos gemelos univitelinos.
Esto ha sido el sueño de muchos ganaderos, que han deseado
que todo su ganado tuviera las cualidades de algún
ejemplar especialmente bueno.
Se pueden utilizar dos métodos para conseguir
clones de animales:
Por disgregación de células
embrionarias. Se basa en el mismo principio por el que nacen
gemelos de forma natural. Se pueden separar las
células de un embrión en diferentes estados de
desarrollo, desde el estado de 2 células hasta el
estado de mórula. Cada célula separada puede
funcionar como un zigoto que puede desarrollarse para dar un
individuo completo.Por transferencia nuclear. Se toman células
embrionarias en fase de mórula o blástula,
obtenidas por disgregación, se cultivan in vitro,y
después se transfieren a ovocitos a los que se
les ha quitado el núcleo.
Se provoca la fusión de las dos células
animales de modo que el núcleo de la célula
embrionaria quede en el interior del ovocito, pudiendo
éste empezar a funcionar como un zigoto.
Así se han obtenido 470 embriones clónicos
de terneros de un único embrión donante de
células.
Cuanto más diferenciadas estén las
células donantes de material genético, más
difícil es conseguir la reprogramación de dicho
material genético para que pueda iniciar la
diferenciación de la célula receptora. Actualmente
es posible obtener clones de células totalmente
diferenciadas de un animal adulto que actúan como donantes
de su material genético, como ocurrió en el caso de
la famosa oveja dolly.
OBTENCIÓN DE UNA CERDA
TRANSGÉNICA
Un gen híbrido que contiene el gen humano que
codifica la síntesis de una proteína de
interés biológico junto con el promotor del gen que
codifica una proteína de la leche de rata, se introducen
por microinyección en un óvulo de cerda
fecundado.
El desarrollo de ese óvulo da lugar a un animal
transgénico que tiene en todas sus células el gen
híbrido. Debido al promotor elegido, ese gen solamente se
expresa en la glándula mamaria de la cerda induciendo la
producción de la proteina humana en la .
El ganado transgénico que se emplea para producir
proteinas terapeúticas, debe contener en el adn
extraño de sus células, además del gen
codificante de la proteina, una secuencia o promotor que haga que
se exprese dicho gen en unas determinadas células
solamente.
Por ejemplo, si se quiere que la proteina se produzca
junto con la leche, el transgén se fusiona con una
secuencia reguladora de una proteina de la leche, con lo que la
proteina sólo se formará en las células de
glándulas mamarias.
Esto es lo que se hizo con la oveja tracy en 1992, la
primera oveja que produjo una proteina humana, la
alfa-antitripsina bajo la dirección del promotor ovino de
la beta-lactoglobulina. Dicha proteina se produce en una cantidad
de 35 g/l, la cual se emplea para curar el edema
pulmonar.
Lo mismo se ha hecho para la famosa cerda genie, que
fabrica en su leche la proteina c humana que controla la
coagulación sanguinea y es necesaria para los
hemofílicos.
Lo que hoy se conoce como ingeniería genética o
ADN recombinante, fue parte del hallazgo en 1970 hecho por
Hamilton Smith y Daniel Nathans de la enzima (restrictasa) capaz
de reconocer y cortar el ADN en secuencias específicas,
hallazgo que les valió el Premio Nobel de
fisiología y medicina, compartido con Werner Arber, en
1978.
Este descubrimiento (consecuencia de un hallazgo accidental –
Serendipia) dio origen al desarrollo de lo que hoy se conoce como
Ingeniería genética o Biotecnología, que
permite clonar cualquier gen en un virus, microorganismo,
célula de planta o de animal.
Hoy en día, la moderna biotecnología es
frecuentemente asociada con el uso de microorganismos alterados
genéticamente como el E. coli o levaduras para producir
sustancias como la insulina o algunos antibióticos.
El lanzamiento comercial de insulina recombinada para humanos
en 1982 marcó un hito en la evolución de la
biotecnología moderna.
La biotecnología encuentra sus raíces en la
biología molecular, un campo de estudios que evoluciona
rápidamente en los años 1970, dando origen a la
primera compañía de biotecnología,
Genentech, en 1976.
Biotecnología
la biotecnología podría definirse como
"toda aplicación tecnológica que utilice
sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados
para la creación o modificación de productos o
procesos para usos específicos".
El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la
Biotecnología del Convenio sobre la Diversidad
Biológica define la biotecnología moderna
como la aplicación de:
Técnicas in vitro de ácido nucleico,
incluidos el ácido desoxirribonucleico (ADN)
recombinante y la inyección directa de ácido
nucleico en células u orgánulos, oLa fusión de células más
allá de la familia taxonómica que superan las
barreras fisiológicas naturales de la
reproducción o de la recombinación y que no son
técnicas utilizadas en la reproducción y
selección tradicional.
APLICACIONES
La biotecnología tiene aplicaciones en
importantes áreas industriales como lo son la
atención de la salud, con el desarrollo de nuevos enfoques
para el tratamiento de enfermedades; la agricultura con el
desarrollo de cultivos y alimentos mejorados; usos no
alimentarios de los cultivos, como por ejemplo plásticos
biodegradables, aceites vegetales y biocombustibles; y cuidado
medioambiental a través de la biorremediación, como
el reciclaje, el tratamiento de residuos y la limpieza de sitios
contaminados por actividades industriales. Además se
aplica en la genética para modificar ciertos
organismos.
Las aplicaciones de la biotecnología son
numerosas y se suelen clasificar como:
Biotecnología roja: se aplica a la
utilización de biotecnología en procesos
médicos. Algunos ejemplos son el diseño de
organismos para producir antibióticos, el desarrollo
de vacunas más seguras y nuevos fármacos, los
diagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y
el desarrollo de la ingeniería genética para
curar enfermedades a través de la manipulación
génica.Biotecnología blanca: también conocida
como biotecnología industrial, es aquella aplicada a
procesos industriales. Un ejemplo de ello es el diseño
de microorganismos para producir un producto químico o
el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea
para producir productos químicos valiosos o destruir
contaminantes químicos peligrosos (por ejemplo
utilizando oxidorreductasas). También se aplica a los
usos de la biotecnología en la industria textil, en la
creación de nuevos materiales, como plásticos
biodegradables y en la producción de biocombustibles.
Su principal objetivo es la creación de productos
fácilmente degradables, que consuman menos
energía y generen menos desechos durante su
producción. La biotecnología blanca tiende a
consumir menos recursos que los procesos tradicionales
utilizados para producir bienes industriales.
Biotecnología verde: es la biotecnología
aplicada a procesos agrícolas. Un ejemplo de ello es
el diseño de plantas transgénicas capaces de
crecer en condiciones ambientales desfavorables o plantas
resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la
biotecnología verde produzca soluciones más
amigables con el medio ambiente que los métodos
tradicionales de la agricultura industrial. Un ejemplo de
esto es la ingeniería genética en plantas para
expresar plaguicidas, con lo que se elimina la necesidad de
la aplicación externa de los mismos, como es el caso
del maíz Bt. Si los productos de la
biotecnología verde como éste son más
respetuosos con el medio ambiente o no, es un tema de
debate.Biotecnología azul: también llamada
biotecnología marina, es un término utilizado
para describir las aplicaciones de la biotecnología en
ambientes marinos y acuáticos. Aún en una fase
temprana de desarrollo sus aplicaciones son prometedoras para
la acuicultura, cuidados sanitarios, cosmética y
productos alimentarios.
Biorremediación y
biodegradación
La biorremediación es el proceso por el cual son
utilizados microorganismos para limpiar un sitio contaminado. Los
procesos biológicos desempeñan un papel importante
en la eliminación de contaminantes y la
biotecnología aprovecha la versatilidad catabólica
de los microorganismos para degradar y convertir dichos
compuestos. En el ámbito de la microbiología
ambiental, los estudios basados en el genoma abren nuevos campos
de investigación in silico ampliando el panorama
de las redes metabólicas y su regulación,
así como pistas sobre las vías moleculares de los
procesos de degradación y las estrategias de
adaptación a las cambiantes condiciones ambientales. Los
enfoques de genómica funcional y metagenómica
aumentan la comprensión de las distintas vías de
regulación y de las redes de flujo del carbono en
ambientes no habituales y para compuestos particulares, que sin
duda aceleraran el desarrollo de tecnologías de
biorremediación y los procesos de
biotransformación.
Bioinformática
La bioinformática es un campo interdisciplinario
que se ocupa de los problemas biológicos usando
técnicas computacionales y hace que sea posible la
rápida organización y análisis de los datos
biológicos. Este campo también puede ser denominado
biología computacional, y puede definirse como, "la
conceptualización de la biología en término
de moléculas y, a continuación, la
aplicación de técnicas informáticas para
comprender y organizar la información asociada a estas
moléculas, a gran escala." La bioinformática
desempeña un papel clave en diversas áreas, tales
como la genómica funcional, la genómica estructural
y la proteómica, y forma un componente clave en el sector
de la biotecnología y la farmacéutica.
Bioingeniería
La ingeniería biológica o
bioingeniería es una rama de ingeniería que se
centra en la biotecnología y en las ciencias
biológicas. Incluye diferentes disciplinas, como la
ingeniería bioquímica, la ingeniería
biomédica, la ingeniería de procesos
biológicos, la ingeniería de biosistemas,
etc.
Se trata de un enfoque integrado de los fundamentos de
las ciencias biológicas y los principios tradicionales de
la ingeniería.
Los bioingenieros con frecuencia trabajan escalando
procesos biológicos de laboratorio a escalas de
producción industrial. Por otra parte, a menudo atienden
problemas de gestión, económicos y
jurídicos.
Debido a que las patentes y los sistemas de
regulación (por ejemplo, la FDA en EE.UU.) son cuestiones
de vital importancia para las empresas de biotecnología,
los bioingenieros a menudo deben tener los conocimientos
relacionados con estos temas.
Ventajas y
riesgos
Ventajas
Entre las principales ventajas de la
biotecnología se tienen:
Rendimiento superior. Mediante los OGM el
rendimiento de los cultivos aumenta, dando más
alimento por menos recursos, disminuyendo las cosechas
perdidas por enfermedad o plagas así como por factores
ambientales.Reducción de pesticidas. Cada vez que un OGM
es modificado para resistir una determinada plaga se
está contribuyendo a reducir el uso de los plaguicidas
asociados a la misma que suelen ser causantes de grandes
daños ambientales y a la salud.Mejora en la nutrición. Se puede llegar a
introducir vitaminas y proteínas adicionales en
alimentos así como reducir los alergenos y toxinas
naturales. También se puede intentar cultivar en
condiciones extremas lo que auxiliaría a los
países que tienen menos disposición de
alimentos.Mejora en el desarrollo de nuevos
materiales.
La aplicación de la biotecnología presenta
riesgos que pueden clasificarse en dos categorías
diferentes: los efectos en la salud humana y de los animales y
las consecuencias ambientales. Además, existen riesgos de
un uso éticamente cuestionable de la biotecnología
moderna.
RIESGOS PARA EL MEDIO AMBIENTE
Entre los riesgos para el medio ambiente cabe
señalar la posibilidad de polinización cruzada, por
medio de la cual el polen de los cultivos genéticamente
modificados (GM) se difunde a cultivos no GM en campos cercanos,
por lo que pueden dispersarse ciertas características como
resistencia a los herbicidas de plantas GM a aquellas que no son
GM. Esto que podría dar lugar, por ejemplo, al desarrollo
de maleza más agresiva o de parientes silvestres con mayor
resistencia a las enfermedades o a los estreses abióticos,
trastornando el equilibrio del ecosistema. Otros riesgos
ecológicos surgen del gran uso de cultivos modificados
genéticamente con genes que producen toxinas insecticidas,
como el gen del Bacillus thuringiensis. Esto puede hacer que se
desarrolle una resistencia al gen en poblaciones de insectos
expuestas a cultivos GM. También puede haber riesgo para
especies que no son el objetivo, como aves y mariposas, por
plantas con genes insecticidas.
RIESGOS PARA LA SALUD
Existen riesgos de transferir toxinas de una forma de
vida a otra, de crear nuevas toxinas o de transferir compuestos
alergénicos de una especie a otra, lo que podría
dar lugar a reacciones alérgicas imprevistas.
Existe el riesgo de que bacterias y virus modificados
escapen de los laboratorios de alta seguridad e infecten a la
población humana o animal.
Los agentes biológicos se clasifican, en
función del riesgo de infección, en cuatro
grupos:
Agente biológico del grupo 1: aquél
que resulta poco probable que cause una enfermedad en el
hombre.Agente biológico del grupo 2: aquél
que puede causar una enfermedad en el hombre y puede suponer
un peligro para los trabajadores, siendo poco probable que se
propague a la colectividad y existiendo generalmente
profilaxis o tratamiento eficaz.Agente biológico del grupo 3: aquél
que puede causar una enfermedad grave en el hombre y presenta
un serio peligro para los trabajadores, con riesgo de que se
propague a la colectividad y existiendo generalmente una
profilaxis o tratamiento eficaz.Agente biológico del grupo 4: aquél
que causando una enfermedad grave en el hombre supone un
serio peligro para los trabajadores, con muchas
probabilidades de que se propague a la colectividad y sin que
exista generalmente una profilaxis o un tratamiento
eficaz.
Aplicación clínica de la
terapia génica en odontología
Uno de
los campos de la odontología que puede beneficiarse
directamente de este tipo de terapias lo constituye las
alteraciones craneofaciales y dentales. El 5% de todos los
nacidos en Estados unidos cada año tiene algún
defecto congénito y por lo menos 1/800 presenta una
malformación que afecta la cabeza, la cara o el cuello. De
las cerca de 5.500 patologías heredadas que presentan
malformaciones, cerca de 700 involucran la región
craneofacial y alrededor de 300 se manifiestan con labio y/o
paladar fisurado[x].
El odontopediatra y el ortodoncista
frecuentemente deben prestar atención a los pacientes que
padecen este tipo de patologías. Algunas
cráneosinostosis como los síndromes de Appert,
Pfeiffer y Crouzon, que afectan el crecimiento craneofacial
normal, debido al cierre prematuro de las
suturas, son producidos por una mutación
en el gen FGFRII (receptor tipo II del factor de crecimiento
fibroblástico)[xi].
La investigación actual en
biología de las suturas, está dirigida a conocer
las funciones de los genes que se expresan en este tejido, los
mecanismos de señalización celular, las actividades
de los factores de transcripción específicos y las
interacciones celulares. Cuando se conozcan estos procesos
será posible prevenir o intervenir tempranamente mediante
terapia génica perinatal las patologías
relacionadas con cráneosinostosis o con otros
síndromes que afectan el crecimiento craneofacial. Al
respecto Kyrkanydes y Millar (2002)[xii], vienen desarrollando
una modalidad de terapia génica para la transferencia de
genes terapéuticos a animales y pacientes utilizando un
virus de pseudotipo de inmunodeficencia felina (VSV-G) y han
demostrado niveles de expresión génica estable en
varios órganos y estructuras examinadas.Otra área
de la odontología que podría beneficiarse con la
terapia génica está relacionada con las
enfermedades que afectan las glándulas salivares. Sin
embargo la mayor limitación para el uso de la
terapia génica en este campo, radica en la
elección del vector utilizado para transferir los genes,
ya que actualmente los vectores disponibles inducen reacciones
inmunes y otros efectos indeseables que impiden establecer con
seguridad este tipo de terapias. [xiii]La terapia génica
puede ser utilizada también para el tratamiento del dolor
crónico severo.
Numerosos estudios han demostrado que los
genes pueden ser transferidos a células del sistema
nervioso central de los modelos animales. Por ejemplo la
transferencia del gen b-endorfina produce analgesia efectiva en
ratas. Este procedimiento podría ser de gran utilidad en
un futuro para el tratamiento de la "neuralgia del
trigémino".La matriz extracelular en el hueso alveolar,
periodonto y diente se relaciona con la localización de
los morfógenos en la reparación ósea. En
este proceso, los tejidos como el colágeno, son
importantes en grandes defectos de hueso y mandíbula;
dándose procesos de osteo-conducción.
La literatura reporta que en defectos
periodontales se pueden utilizar sistemas de
osteoinducción (membranas periodontales) y al tiempo
osteoconducción (terapia génica). La
combinación de estas dos terapias en la utilización
de las BMPs, permitiría obtener mejores
resultados.En un estudio reciente, se tomaron fibroblastos que
codificaban para BMP7, y se transplantaron en ratas que
tenían grandes defectos óseos a nivel mandibular.
Las lesiones tratadas con BMP7 demostraron
condrogénesis, osteogenesis, y cementogénesis
en la reparación de defectos óseos
periodontales.BMP 4 recombinante codifica para heparan sulfato,
heparina, colágeno tipo I y IV de la matriz extracelular.
Los componentes de la matriz extracelular activan
morfógenos para permitir funciones proteolíticas.
Las BMP4 en estado soluble, al entrar a ser componente de la
matriz extracelular, se convierte en un estado sólido, en
el cual puede iniciar sus funciones. La interacción entre
la señal inducida por morfógenos y la respuesta
celular es modulada por la matriz extracelular.Las BMPs 2, 4,
7 pueden iniciar la cascada de osteogénesis y por esta
razón tienen posibilidades terapéuticas en defectos
craneofaciales, en trauma de cabeza y cuello y en defectos
causados por neoplasias. Las BMPs 2 y 4, logran
corregir defectos de 100 ug/g, mientras que las BMPs 7
corrigen defectos de 1.000 ug/g.[xiv]La utilización de BMP
junto con implantes metálicos pueden estimular el
crecimiento óseo alrededor de los implantes, para lograr
una integración optima del implante.[xv]
Sin embargo se requieren altas concentraciones para inducir
regeneración tisular con BMP. La producción de
morfógenos en la transducción de tejidos, aplicados
directamente a la proteína podría ser más
efectiva.
Algunos estudios realizados en
células mesenquimales de roedores y de humanos, utilizan
el gen BMP 2 ó BMP 7 para formación
de hueso nuevo in vivo e in vitro. Los ligandos
también han sido incorporados dentro de la superficie de
los vectores virales para permitir procesos celulares
específicos, los cuales son menos riesgosos que otros
métodos (inyección directa). [xvi]La accesibilidad
y observación visual de la cavidad oral, hace que estos
tejidos sean más favorables para la transferencia de
genes que los órganos y tejidos viscerales. [xvii],
[xviii]. Métodos como la electroporación o
sonoporación han sido usados para transferir el
gen Gdf11 (que codifica para la proteína
BMP11) en la pulpa dental amputada, y estimula la
formación y reparación de dentina. En estos
métodos se aíslan las células madres de la
pulpa dental con genes que codifican para las BMP, y luego se
implantan las células dentro de la pulpa injuriada. Este
procedimiento ex vivo para transferir genes, que
podrían estimular la reparación y formación
de dentina más rápidamente.Sin embargo uno de los
mayores campos de acción de la terapia génica en
odontología, lo constituyen las técnicas usadas
para la transferencia de genes en el tratamiento primario, o como
terapia adjunta en los pacientes que presentan cáncer de
cabeza y cuello.
Podhajcer reportó la
inmunización de ratones contra distintos tipos de
cáncer (colon, mama y sarcoma) mediante terapia
génica. Este experimento abre un nuevo camino hacia una
vacuna contra el cáncer.[xix]Uno de los tratamientos para
el cáncer utilizados hoy en día, consiste en marcar
genéticamente a las células tumorales de un
cáncer para que el organismo las reconozca como
extrañas y pueda luchar contra ellas, estimulando la
respuesta inmune. Otras estrategias que se siguen en la
actualidad contra el cáncer son: inactivar oncogenes,
introducir genes supresores de tumores, introducir genes
suicidas, e introducir genes que aumenten la sensibilidad a
los fármacos[xx].En un estudio reciente, Wang y col
(2001)[xxi], sugieren que la terapia génica con
IL-12 combinada con la inmunización de la mucosa oral,
puede inducir inmunidad sistémica antitumoral. Por otra
parte Fukui y col (2001)[xxii], proponen que la
sensibilización de las células tumorales con
"ganciclovir", utilizando como vector el virus asociado al
adenovirus, podría ser utilizado con éxito
en la terapia génica para el carcinoma oral
escamo-celular.
Estos procedimientos permiten cambiar
el gen defectuoso por un gen normal en etapas tempranas del
desarrollo embrionario, o en otras etapas de la vida del
individuo, impidiendo en esta forma que se desarrolle la
enfermedad. Sin embargo este tipo de tratamientos al igual
que todos los tratamientos generados a partir del proyecto
genoma humano generan una serie de implicaciones de tipo
ético y legal que no son objeto de estudio en esta
revisión.
El siguiente cuadro resume la
metodología utilizada en la terapia
génica:
La siguiente tabla resume las
posibilidades terapéuticas futuras de la terapia
génica, la bioingeniería y el uso de las
stem cell en odontología:
Autor:
José Laura
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