1. QUÉ ES LA BIOTECNOLOGÍA
La biotecnología se refiere a 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 (Convention on Biological Diversity, Article 2. Use of Terms, United Nations. 1992).
Por lo tanto la biotecnología consiste en la utilización de un ser vivo o parte de él para la transformación de una sustancia en un producto de interés. Aunque el término es reciente, desde antiguo los hombres han aplicado la biotecnología para obtener alimentos como yogur o cerveza, o fármacos como la penicilina.
La ingeniería genética es una rama moderna de la biotecnología. Consiste en el uso de diversas técnicas para manipular el ADN de los organismos, básicamente mediante la transferencia de ADN de unos organismos a otros.
Por lo tanto existe una biotecnología tradicional que se basa en el cultivo a gran escala de microorganimos que son capaces de producir sustancias útiles para el ser humano, como resultado de su metabolismo (elaboración de vino, pan o cerveza) y una biotecnología moderna que se basa sobre todo en la ingeniería genética (tecnología del ADN recombinante, la PCR, la secuenciación del ADN, la clonación reproductiva y terapeútica, etc.).
2. INGENIERÍA GENÉTICA
La ingeniería genética es un campo que no deja de evolucionar y de desarrollar nuevas técnicas con aplicaciones en campos muy diversos. Una de las técnicas básicas de la ingeniería genética es la técnica del ADN recombinante.
- Estas técnicas comienzan por la obtención del fragmento de ADN que interesa de una célula donadora (por ejemplo el gen humano que sintetiza insulina).
- A continuación, se inserta el gen de interés en otro fragmento de ADN, que suele ser un plásmido bacteriano (plásmido + gen de interés = ADN recombinante).
- Más tarde, este ADN recombinante se introduce en una célula receptora, como por ejemplo una bacteria (ahora esta bacteria, y las que procedan de ella, podrá sintetizar insulina humana, muy útil para los diabéticos).
Este organismo, que contiene ADN de otro ser vivo diferente, se denomina transgénico, y suele ser una bacteria, pero también puede ser una célula de levadura, una planta o un animal.
En la técnica del ADN recombinante tienen especial importancia las enzimas de restricción, son un grupo de enzimas propias de diversas especies de bacterias que cortan siempre el ADN de la misma manera (son secuencias palindrómicas de 4-12 nucleótidos). Reconocen los genes de interés y cortan las moléculas de ADN por secuencias nucleotídicas específicas.
Los vectores de clonación son los medios biológicos que se emplean para introducir el material genético en una célula. Se pueden emplear plásmidos o bacteriófagos.
Los plásmidos son pequeños fragmentos de ADN circular bacteriano de doble hélice que poseen su propio origen de replicación, de forma que se replican independientemente del genoma de la bacteria. Los plásmidos de una bacteria se pueden replicar y transferir a otra bacteria mediante conjugación.
Y así, si insertamos el gen de interés (por ejemplo el gen humano que fabrica la insulina) en un plásmido (vector), conseguimos que este plásmido recombinante se replique solo y se transfiera a otras bacterias por conjugación. Este plásmido se va a integrar en el genoma de la nueva bacteria expresándose (ahora la nueva bacteria, así como sus células hijas, fabricarán insulina).
También se pueden utilizar virus bacteriófagos o fagos que infectan bacterias en vez de plásmidos. Se pueden manipular, de modo que se elimina una parte de su ADN y se inserta el gen de interés. Cuando el fago infecta la bacteria transfiere ese gen de interés que se integra en el genoma bacteriano para así expresarse.
Cualquier gen de interés o cualquier molécula de ADN recombinante puede someterse a clonación para aumentar el número de copias. Las dos principales técnicas son la clonación bacteriana y la PCR.
A. LA CLONACIÓN BACTERIANA
Consiste en la introducción del gen que se quiere amplificar (como por ejemplo el gen que fabrica insulina humana) en el interior de una bacteria (utilizando plásmidos). Las bacterias se dividen rápidamente, así que en poco tiempo tendremos miles de bacterias con ese gen, es decir, miles de bacterias que ahora fabrican insulina humana.
B. REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR, Polimerase Chain Reaction)
- La importancia de esta técnica radica en que permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de cantidades minúsculas.
- Necesitamos: el ADN que se va a clonar, los cuatro desoxirribonucleótidos trifosfatos (A, G, C y T), dos segmentos de ADN monocatenarios específicos (cebadores) y ADN-polimerasa termorresistente.
- Aparato: termociclador.
- Dato de interés: Margarita Salas descubrió la ADN polimerasa del virus bacteriófago phi29, que tiene una aplicación crucial en biotecnología: permite amplificar el ADN de manera sencilla, rápida y fiable.
- Etapas:
- Desnaturalización del ADN: se calienta a unos 80ºC para separar la doble hélice.
- Hibridación de los cebadores: se añaden los cebadores y se disminuye la temperatura para favorecer la hibridación con los sitios específicos de la hebra.
- Elongación de la cadena: la ADN-polimerasa sintetiza una cadena sencilla de ADN en dirección 5-3 en cada hebra del ADN.
De esta forma se completa el primer ciclo. A continuación, se empieza un nuevo ciclo.
- Aplicaciones de la PCR: realizar estudios evolutivos y ayudar en medicina forense (test de paternidad, descubrir el autor de un delito, diagnosticar trastornos genéticos…).
3. LA SECUENCIACIÓN DEL ADN
– La secuenciación del ADN permite determinar el orden de la secuencia de bases de un determinado ADN. Para ello se utilizan unos aparatos denominados secuenciadores.
– Esta técnica ha permitido reconstruir el genoma de diversos organismos (Genómica) y tiene múltiples aplicaciones en medicina, ganadería, etc.
– La proteómica estudia el conjunto de proteínas que se expresan a partir del genoma, y tiene una gran importancia en medicina. En la especie humana el número de proteínas es mucho mayor que el número de genes porque un mismo ARNm puede madurar de varias formas diferentes dependiendo de los intrones que se eliminen (maduración alternativa o splicing alternativo). De esta forma se forman muchas proteínas a partir del mismo gen.
4. EL PROYECTO GENOMA HUMANO
– Este proyecto se planteó con la finalidad de identificar todos los genes y la secuenciación completa del genoma del ser humano, es decir, el desciframiento de la secuencia exacta de los nucleótidos que se encuentran en los 23 cromosomas del genoma humano haploide.
– Hoy en día sabemos todos los seres humanos compartimos el 99,9% del genoma y que solo el 3% de los genes codifican proteínas (no se sabe las funciones del resto).
– El Proyecto Genoma Humano permite estudiar enfermedades genéticas y prevenirlas (por ejemplo mediante terapia génica) y conocer mejor la evolución de las especies.
– Pero el uso de los análisis de ADN plantea numerosos problemas éticos que ya veremos más adelante.
5. LA TRANSFERENCIA NUCLEAR: LA CLONACIÓN
La clonación es una técnica de transferencia nuclear que puede considerarse un modo especial de transgénesis en el que se transfiere un genoma completo. Las aplicaciones de la clonación son múltiples: producción de órganos para trasplantes, terapia celular, producción de sustancias de interés industrial, recuperación de especies en peligro de extinción, etc.
Es importante diferenciar entre clonación reproductiva y clonación terapeútica:
La clonación reproductiva tiene como objetivo conseguir individuos nuevos idénticos entre sí y al original, como en el caso de la oveja Dolly:
La clonación terapéutica tiene como objetivo tratar enfermedades y regenerar tejidos a partir de células madre:
6. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LA INDUSTRIA
La biotecnología microbianana incluye procesos industriales que utilizan microorganismos como base para obtener productos de utilidad para las personas como medicinas o alimentos.
6.1. En la industria alimentaria
Un ejemplo es la utilización de microorganismos que producen fermentaciones para obtener alimentos como la cerveza, el vino, el queso o el yogur…
- Elaboración de vino: Saccharomyces cerevisae (levadura) y otras llevan a cabo una fermentación alcohólica de los azúcares presentes en el zumo de uva (glucosa y fructosa) que da alcohol etílico y CO2.
- Elaboración de cerveza: Saccharomyces cerevisae (levadura) lleva a cabo una fermentación alcohólica de los azúcares de la cebada (glucosa que procede de la degradación del almidón en la fase de molido) que da alcohol etílico y CO2.
- Elaboración del pan: Saccharomyces cerevisae (levadura) lleva a cabo una fermentación alcohólica de los azúcares presentes en la harina (glucosa y maltosa que proceden del almidón) que da alcohol etílico y CO2 (la cocción de la masa elimina el etanol y la formación de las burbujas de CO2 confieren aspecto esponjoso).
- Elaboración de queso y yogur: Lactobacillus y Streptococcus (bacterias lácticas) llevan a cabo una fermentación láctica de los glúcidos sencillos de la leche que pasan a ácido láctico, que coagula las proteínas al disminuir el pH (desnaturalización).
En la industria alimentaria, también se obtiene con la ayuda de la biotecnología: edulcorantes (fructosa), vitaminas, aminoácidos que se usan como potenciadores de sabor, enzimas extracelulares que se usan en la industria del pan, etc.
6.2. Industria química
En la industria química, se obtienen con ayuda de la biotecnología distintos productos básicos como plásticos, disolventes, detergentes, etc.
6.3. Industria energética:
Mediante biotecnología, en la industria energética se obtienen biocombustibloes como bioalcoholes (por fermentación alcohólica de Saccharomyces), biogás o bioaceites.
7. LA BIOTECNOLOGÍA EN LA AGRICULTURA Y LA GANADERÍA
En la actualidad, las técnicas de ingeniería genética permiten la manipulación genética de de las especies agrícolas y ganaderas y tienen muchas aplicaciones.
7.1. En la ganadería
La mejora genética de animales ha permitido la creación de carpas que crecen más rápidamente (introducción en el cigoto del gen que produce la hormona del crecimiento en la trucha arcoíris) o de salmones que resisten las bajas temperaturas (introducción de un gen de un pez que vive en el Ártico). La modificación genética hay que realizarla en el cigoto para que todas las células que proceden de él por mitosis tengan dicha modificación.
7.2. En la agricultura
Mediante la inserción o inactivación de genes se ha conseguido:
– Plantas resistentes a herbicidas y a insectos como el maíz Bt (maíz que produce un insecticida) o la soja resistente a herbicidas.
– Plantas resistentes a determinadas condiciones ambientales como heladas o sequías como el tomate de maduración tardía.
– Plantas con determinadas características nutritivas como el arroz dorado (arroz que produce vitamina A) o los cultivos con genes nif (plantas que utilizan el nitrógeno atmosférico y no dependen de los nitratos del suelo).
8. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN MEDICINA
Entre las aplicaciones de la biotecnología en medicina caben mencionar la obtención de fármacos, la obtención de modelos animales, el trasplante de órganos, la terapia génica y en medicina forense.
8.1. Obtención de fármacos
Se pueden obtener fármacos directamente de los microorganismos como antibióticos (del hongo Penicillium), enzimas, etc.
Pero a través de ingeniería genética también se pueden obtener proteínas terapeúticas como insulina, hormona del crecimiento, interferón o factores de coagulación, enzimas modificadas y mejoradas o vacunas (se insertan genes del agente patógeno contra el cual se quiere obtener la vacuna en alguna bacteria y se recogen las proteínas que se sintetizan. Así solo se inyecta como vacuna las proteínas).
8.2. Obtención de modelos animales mediante clonación para el estudio de enfermedades
Algunos animales clonados pueden servir de modelo para el estudio de enfermedades cardiovasculares, del cáncer o de los procesos de envejecimiento.
8.3. Trasplante de órganos
Mediante biotecnología se pueden obtener órganos para trasplantes procedentes de animales manipulados genéticamente o directamente de células madre de embriones, de manera que se evita el rechazo inmunológico.
8.4.Medicina forense
Permite estudiar la huella genética para la identificación de restos humanos, y para la realización de pruebas de paternidad y parentesco.
8.5. Terapia génica
Es el futuro de la medicina, consiste en tratar una enfermedad con base genética mediante la introducción de genes en el organismo.
9. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN EL MEDIO AMBIENTE
Las aguas residuales del uso doméstico llevan gran cantidad de sustancias orgánicas que hay que eliminar. En las depuradoras, el tratamiento secundario elimina estas sustancias mediante bacterias y protozoos. A partir de la fermentación de estos fangos y lodos se puede obtener un material rico en nitrógeno que se usa como abono en agricultura (compost).
Algunos microorganismos como bacterias, levaduras y mohos son capaces de utilizar los hidrocarburos como fuente de materia orgánica para su metabolismo. Esta propiedad se aplica para contrarrestar los derrames de crudos al mar por petroleros accidentados. La aplicación de baterías para eliminar hidrocarburos se denomina biorremediación.
La clonación también ha abierto un nuevo camino para recuperar especies en peligro de extinción, incluso extinguidas ya: ¿Se pueden clonar mamuts?
10. ASPECTOS ÉTICOS Y SOCIALES DE LA BIOTECNOLOGÍA
Las ventajas de la biotecnología están claras, sobre todo en el campo de la medicina. Pero a veces estas investigaciones o aplicaciones tienen implicaciones éticas y sociales y hay que establecer leyes que legislen esto.
Para dar respuesta a estos problemas éticos el Comité Internacional de Bioética de la UNESCO establece ciertos límites:
- Límites por motivos éticos y morales: el uso de la terapia génica para curar enfermedades está bien, siempre que no se exponga a la persona a riesgos desproporcionados (en algunos casos se ha relacionado la terapia génica con la aparición de tumores, hay que seguir investigando). Además, algunas personas no aceptan el uso de embriones humanos para obtener células madre, ya sea para terapia génica o para clonación no reproductiva.
- Límites por motivos sociales: tienen que existir límites legales para acceder a los datos genéticos de una persona.
- Límites por motivos políticos y económicos: ¿todos los ciudadanos del planeta están en igualdad de condiciones para acceder a estas técnicas o se crearán nuevas desigualdades?
- Límites por motivos ecológicos y de sanidad: tienen que existir controles estrictos pata evitar desastres ecológicos o naturales. Hay que tener cuidado con la manipulación de microorganismos susceptibles de causar enfermedades, incluso de ser utilizados como armas biológicas.
¿LOS TRANSGÉNICOS SON MALOS? ¿CUÁLES SON LAS VENTAJAS Y DESVENYAJAS DE LOS TRANSGÉNICOS?
A día de hoy los únicos riesgos que se han descrito son:
- Desarrollo de alergias: si se inserta un gen de un pez ártico en un tomate para proporcionarle resistencia frente a las heladas, y resulta que una determinada persona tiene alergia al pescado y se come ese tomate, puede desarrollar una alergia.
- Pérdida de biodiversidad: el cultivo de organismos transgénicos puede competir con organismos silvestres. Para evitar que eso ocurra se cultivan transgénicos estériles. Otro tema es que después haya empresas que se lucren con ello porque les obligan a los agricultores a comprar sus semillas cada año…
El planeta de los Biólogos 