BIOTECNOLOGIA

La ciencia del futur

ALBERT SURIÑACH, PAU ESPEJO, MARTÍ DOMÍNGUEZ, PEP MARTÍ

1.Enginyeria genèticaCLONACIÓ

Cal diferenciar l'ús de la paraula clonació en diferents contextos de la biologia:

-Si ens referim a l'àmbit de l'Enginyeria Genètica, clonar és aïllar i multiplicar en tub d'assaig un determinat gen o, en general, un tros d'ADN. No obstant això, Dolly no és producte d'Enginyeria Genètica.

En el context a què ens referim, clonar significa obtenir un o diversos individus a partir d'una cèl·lula somàtica o d'un nucli d'un altre individu, de manera que els individus clonats són idèntics o gairebé idèntics a l'original.

En els animals superiors, l'única forma de reproducció és la sexual, per la qual dues cèl·lules germinals o gàmetes (òvul i espermatozoide) s'uneixen, formant un zigot (o ou), que es desenvoluparà fins a donar l'individu adult. La reproducció sexual va ser un invent evolutiu (del que van quedar excloses els bacteris i molts organismes unicel·lulars), que garanteix que en cada generació d'una espècie van a aparèixer noves combinacions de gens en la descendència, que posteriorment serà sotmesa a la dura prova de la selecció i altres mecanismes evolutius. Les cèl·lules d'un animal procedeixen en última instància de la divisió repetida i diferenciació del zigot.

Les cèl·lules somàtiques, que constitueixen els teixits de l'animal adult, han recorregut un llarg camí "sense retorn", de manera que, a diferència de les cèl·lules de les primeres fases de l'embrió, han perdut la capacitat de generar nous individus i cada tipus es s'ha especialitzat en una funció diferent (tot i que, llevat d'excepcions, contenen el mateix material genètic).

El primer experiment de clonació en vertebrats va ser el de Briggs i King (1952), en granotes. En els anys 70, Gurdon va aconseguir col·leccions de gripaus d'esperons (Xenopus laevis) idèntics a base d'inserir nuclis de cèl·lules de fases larvàries primerenques en ovòcits (òvuls) als quals s'havia despullat de les seves corresponents nuclis. Però l'experiment fracassa si es fan servir com a donadores cèl·lules de granotes adultes.

Des de fa uns anys es venen obtenint mamífers clònics, però només a partir de cèl·lules embrionàries molt primerenques, a causa que encara no han entrat en diferenciació (i per tant posseeixen la propietat de pluripotència). No és estrany doncs l'enrenou científic quan l'equip d'Ian Wilmut, de l'Institut Roslin d'Edimburg va comunicar que havien aconseguit una ovella per clonació a partir d'una cèl·lula diferenciada d'un adult.

[2] Essencialment el mètode (que encara presenta una alta taxa de fracassos) consisteix a obtenir un òvul d'ovella, eliminar el seu nucli, substituir-lo per un nucli de cèl·lula d'ovella adulta (en aquest cas, de les mames), i implantar-lo en una tercera ovella que serveix com a "mare de lloguer" per portar l'embaràs. Així doncs, Dolly no té pare i és el producte de tres "mares": la donadora de l'òvul contribueix amb el citoplasma (que conté, a més mitocòndries que porten una mica de material genètic), la donadora del nucli (que és la que aporta la immensa majoria de l'ADN), i la que va parir, que genèticament no aporta res.

Científicament es tracta d'una fita molt interessant, ja que demostra que, almenys sota determinades circumstàncies és possible "reprogramar" el material genètic nuclear d'una cèl·lula diferenciada (alguna cosa així com tornar a posar a zero el seu rellotge, de manera que es comporta com el d'un zigot). D'aquesta manera, aquest nucli comença a "dialogar" adequadament amb el citoplasma de l'òvul i desencadena tot el complex procés del desenvolupament intrauterí.

L'ovella Dolly

L'ovella Dolly (5 juliol 1996 - 14 febrer de 2003) va ser el primer mamíferoclonado a partir d'una cèl·lula adulta. Els seus creadors van ser els científics de l'Institut Roslin d'Edimburg (Escòcia), Ian Wilmut i Keith Campbel. El seu naixement no va ser anunciat fins a set mesos després, el 23 febrer 1997.

Què és un nen proveta?

És un nen fecundat artificialment. La tècnica es diu fecundació in vitro, i permet a les dones estèrils tenir fills.

El procediment consisteix a extreure un òvul de la dona, i col·locar-lo en una proveta amb els espermatozoides de l'home. Una vegada que l'òvul està fecundat, es col·loca a l'úter de la mare, perquè tingui un desenvolupament normal i neixi en nou mesos.

2. Medicina

TERAPIA GÈNICA

La teràpia gènica és un tractament mèdic que consisteix en manipular la informació genètica de cèl·lules malaltes per corregir un defecte genètic o per donar a les cèl·lules d'una nova funció que els permeti superar una alteració.

Amb la ajuda de vectors adequats, que són generalment virus, s'introdueix el gen correcte i s'integra en l'ADN de la cèl·lula malalta amb tècniques de recombinació genètica.

En principi existeixen tres formes de tractar malalties amb aquestes teràpies:

- Substituir gens alterats

Es poden corregir mutacions mitjançant cirurgia gènica, substituint el gen defectuós o reparant la seqüència mutada.

- Inhibir o contrarestar efectes nocius.

Es fa a partir de inhibició dirigida de la expressió gènica. Aquest procés es desenvolupa bloquejant promotors, interferint amb els mecanismes d'expressió gènica mitjançant RNA anti-sentit que són complementaris de RNA-m i s'uneixen a ells bloquejant-los.

- Insertar nous gens

Es realitza per eliminació dirigida de cèl·lules específiques. S'afegeixen gens suïcides que destrueixen a la pròpia cèl·lula que els alberga o gens estimuladors de la resposta immune. També es pot introduir una còpia d'un gen normal per substituir la funció d'un gen mutant que no fabrica una proteïna correcte.

CEL·LULES MARE

Les cèl·lules mare són unes cèl·lules sorprenents el destí de les quals encara no s'ha "decidit". Es poden convertir en una gran varietat de cèl·lules per mitjà d'un procés conegut com la "diferenciació".

En les primeres etapes del desenvolupament humà, les cèl·lules mare a l'embrió es "diferencien" en tots els tipus de cèl·lules del cos - cervell, ossos, cor, músculs, pell,....

Els científics estan fascinats davant la possibilitat d'aprofitar l'espectacular força natural d'aquestes cèl·lules mare embrionàries per curar moltes malalties diferents. Per exemple, el Parkinson i l'Alzheimer sorgeixen arran del deteriorament de determinats grups de cèl·lules del cervell. Els científics esperen substituir el teixit del cervell que s'hagi perdut trasplantant cèl·lules mare d'un embrió a la part danyada del cervell.

En un futur proper, la investigació en cèl·lules mare podria revolucionar la manera com els metges tracten moltes altres "malalties mortals" com un vessament cerebral, la diabetis, les malalties del cor i, fins i tot, la paràlisi.

Diversos països mantenen actituds diferents en l'ús de les cèl·lules mare embrionàries d'humans per a la investigació i el tractament mèdic. A Alemanya, per exemple, extreure cèl·lules mare d'un embrió humà és il·legal.

A la Gran Bretanya i a Espanya, en canvi, és legal, però està rigorosament regulat: els científics britànics poden fer servir embrions humans per a la investigació fins als 14 dies després de la fecundació. En aquest punt l'embrió és una bola buida de cèl·lules que fan una quarta part de la mida del cap d'una agulla (0,2 mm).

Molts països no tenen encara lleis explícites que regulin la investigació en cèl·lules mare humanes.

Com que utilitzar embrions és un tema controvertit èticament, els científics de tot el món estan buscant altres fonts de cèl·lules mare. Una possibilitat és un tipus de cèl·lula mare trobat a la medul·la òssia dels adults. Aquestes cèl·lules mare ja tenen la possibilitat de "diferenciar-se" en una varietat de diferents cèl·lules sanguínies al llarg de la vida.

En el futur, els científics esperen manipular aquestes cèl·lules mare adultes de manera que, en comptes de produir només cèl·lules sanguínies, puguin produir cèl·lules del cervell, del fetge, del cor i del teixit nerviós.

Mentrestant, però, les cèl·lules mare d'embrions són les que ofereixen les perspectives més immediates per a nous tractaments i remeis.

FÀRMACS

Els medicaments biotecnològics, també denominats fàrmacs biotec, poden ser proteïnes recombinats, anticossos monoclonals, vectors per al transport de material genètic, fragments d’anticòs, àcids nucleics, oligonucleòtids antisentit, vacunes, etc., que comparteixen la característica de ser productes medicinals obtinguts a partir de tècniques de biotecnologia. Al voltant del 20% dels fàrmacs de tipus innovador introduïts actualment al mercat són ja obtinguts per tècniques de biotecnologia, tot i que si es tenen en compte els fàrmacs que es troben en fase de desenvolupament, els biotec poden representar aproximadament el 50% dels fàrmacs en fase d’investigació clínica.

A diferència dels fàrmacs de síntesi química tradicional, les molècules biotec solen ser proteïnes d’alt pes molecular, amb una grandària de fins a 1.000 vegades al de les molècules de síntesi química. L’activitat biològica d’aquestes molècules estarà en gran mesura condicionada per la seva estructura, pel grau i el patró de glicosilació en el cas que es tracti d’una glicoproteïna, i pel perfil d’isofàrmacs del producte final.

Els fàrmacs biotec s’obtenen a partir de processos de producció que poden durar mesos i que comprenen diverses etapes complexes. Aquestes van des de la definició de la seqüència de DNA que codifica la proteïna desitjada, passant pel desenvolupament del banc de cèl·lules en el qual es produirà l’expressió d’aquesta seqüència per obtenir la proteïna recombinant que posteriorment serà purificada i analitzada adequadament. La complexitat d’aquest procés converteix a la molècula final en un producte totalment depenent de cada una de les etapes del procés de fabricació, de manera que petits canvis (en els excipients, ús de nous bancs de cèl·lules, etc.) podrien comportar alteracions clínicament significatives en termes de seguretat i eficàcia del producte final. És per

això que es diu que en biotecnologia “el procés és el producte”, en referència a la total dependència que els biotec tenen de cada un dels detalls del seu procés de manufactura.

La característica diferencial fonamental entre les molècules de síntesi química i aquelles obtingudes per biotecnologia és el risc d’immunogenicitat inherent a aquestes últimes i és que al tractar-se de molècules biològicament actives derivades de cèl·lules vives, tenen el potencial d’activar la resposta immunitària i de desenvolupar immunogenicitat, amb les possibles conseqüències clíniques que d’aquest fet se’n poden derivar

3. Biotecnologia agrícolaBIOTECNOLOGIA RAMADERA

El bestiar contribueix directament als mitjans de vida de les persones de tot el món, en proporcionar no només aliments sinó també altres productes. La producció ramadera representa ja més d'un terç del producte intern brut agrícola en els països en desenvolupament i es preveu que aquesta proporció seguirà augmentant.

El ràpid creixement de la demanda de productes pecuaris, conegut com la "revolució ramadera", ha creat oportunitats per augmentar el benestar d'almenys part dels gairebé 1 000 milions de persones pobres els mitjans de vida depenen de la ramaderia.

No obstant això, la degradació de les terres, la contaminació ambiental, l'escalfament mundial, l'erosió dels recursos zoo-genètics, l'escassetat d'aigua i les noves malalties presentaran previsiblement obstacles al creixement del sector pecuari mundial.

 

Les tecnologies convencionals i les biotecnologies ramaderes han contribuït enormement a l'augment de la productivitat, particularment en els països desenvolupats, i poden ajudar a mitigar la pobresa i alleujar la fam, reduir les amenaces que presenten les malalties i aconseguir la sostenibilitat ambiental en els països en desenvolupament. Hi ha un ampli ventall de biotecnologies que ja s'han fet servir en països en desenvolupament en cadascun dels tres sectors principals de la zootècnia, que poden categoritzar com la reproducció animal, la genètica i la millora; la nutrició i la producció animal; i, en fi, la sanitat animal.

 

Pel que fa a la reproducció animal, la genètica i la millora, la inseminació artificial ha estat potser la biotecnologia ramadera utilitzada en major mesura, particularment en combinació amb la crio-preservació, i ha permès un millorament genètic significatiu centrat en la productivitat així com la difusió mundial de germoplasma masculí escollit. Tecnologies complementàries com el seguiment de les hormones reproductives, la sincronització del zel i el sexatge de semen poden millorar l'eficàcia de la IA. El trasplantament d'embrions ofereix les mateixes oportunitats en relació amb les femelles, encara que en escala molt menor ia un preu molt més alt. També poden utilitzar marcadors moleculars de l'ADN per al millorament genètic, per mitjà de la selecció amb ajuda de marcadors situat al costat dels gens d'interès, així com per a caracteritzar i conservar els recursos zoo-genètics. L'ús de la majoria dels sistemes de marcadors moleculars depèn de la reacció en cadena de la polimerasa, que és una tècnica important per amplificar seqüències específiques d'ADN.

BIOTECNOLOGIA AGRÍCOLA

Introducció

En general, s'entén per biotecnologia tota tècnica que utilitza organismes vius o substàncies obtingudes d'aquests organismes per crear o modificar un producte amb finalitats pràctiques . La biotecnologia es pot aplicar a tot tipus d'organismes, des dels virus i els bacteris als animals i les plantes, i s'està convertint en un element important de la medicina, l'agricultura i la indústria modernes. La biotecnologia agrícola moderna comprèn una varietat d'instruments que empren els científics per comprendre i manipular l'estructura genètica d'organismes que han de ser utilitzats en la producció o elaboració de productes agrícoles.

Que es fa?

Agricultors i pastors han manipulat l'estructura genètica de les plantes i els animals des que es va iniciar l'agricultura, fa més de 10 000 anys. Els agricultors van manejar durant mil·lennis el procés de domesticació a través de nombrosos cicles de selecció dels individus més ben adaptats. Aquesta explotació de la diversitat natural en els organismes biològics ha proporcionat els cultius, arbres de plantació, animals de granja i peixos cultivats actualment existents, que sovint difereixen radicalment dels seus avantpassats més llunyans.

L'objectiu dels genetistes moderns és el mateix que el dels primers agricultors: produir cultius o animals superiors. La millora convencional, basat en l'aplicació dels principis genètics clàssics relatius al fenotip o característiques físiques de l'organisme en qüestió, ha aconseguit introduir en cultivars o races d'animals característiques procedents de varietats domesticades o silvestres afins o de mutants. En un encreuament convencional, en el qual cada progenitor llega als descendents la meitat de la seva estructura genètica, es poden transmetre característiques no desitjades juntament amb les desitjades, i potser aquestes característiques no desitjades hagin de ser eliminades a través de successives generacions de millora . A cada generació, els descendents han de ser sotmesos a proves per determinar tant els seus trets de creixement com les seves característiques nutricionals i d'elaboració. Pot ser que siguin necessàries moltes generacions abans de trobar la combinació desitjada de característiques, i que els intervals siguin molt llargs, especialment en el cas de cultius de plantes perennes com els arbres i algunes espècies d'animals. Aquesta selecció basada en el fenotip és per tant un procés lent i difícil que

requereix molt de temps i diners. La biotecnologia pot aconseguir que l'aplicació de mètodes convencionals de millora sigui més eficaç.

Les mutacions que es fan servir

Les mutacions espontànies són el motor «natural» de l'evolució i el mitjà de què es valen els genetistes per domesticar cultius i «crear» varietats millors. Sense mutacions no hi hauria arròs, blat de moro o qualsevol altre cultiu.

A partir del decenni de 1970, l'Organisme Internacional d'Energia Atòmica (OIEA) i la FAO van patrocinar investigacions sobre la inducció de mutacions per impulsar la millora genètica de cultius alimentaris i industrials amb la finalitat d'obtenir noves varietats millorades. Les mutacions induïdes es produeixen tractant parts de la planta amb mutàgens químics o físics i seleccionant a continuació els canvis desitjats, de manera que s'imiten de fet les mutacions espontànies i s'amplia artificialment la diversitat genètica. En general, la naturalesa exacta de les mutacions induïdes no ha estat motiu de preocupació, independentment de si les línies mutants s'utilitzaven directament o com a font de noves variacions en programes de creuament.

La mutació induïda com a ajuda de la millora ha donat lloc a la introducció de noves varietats de molts cultius com l'arròs, el blat, l'ordi, les pomes, els cítrics, la canya de sucre i el banano (la base de dades sobre varietats mutants de la FAO / OIEA conté més de 2 300 varietats distribuïdes oficialment). L'aplicació de la mutació induïda a la millora de cultius ha tingut enormes conseqüències econòmiques en l'agricultura i la producció d'aliments, actualment valorades en milers de milions de dòlars EUA, i s'ha traduït en milions d'hectàrees de terra conreada. Recentment s'ha observat un ressorgiment de les tècniques de mutació, que han transcendit de la seva utilització directa en la millora per a ser aplicades en nous camps, com el descobriment de gens i la genètica de reversió.

Avantatges i inconvenients

L'ús de la biotecnologia en les plantes fa que siguin més resistents a malalties a diferents tipus de clima, els anomenats transgènics, però el desavantatge que encara no se sap a la llarga els efectes que aquests tindran en l'organisme, i a més perquè certes companyies fan monopoli de certes

llavors per només ells vendre com és el cas de Monsanto, raó per la qual estan desapareixent moltes espècies natives i substituïdes per la transgènica.

4. PGHObjectius

Els dos objectius principals eren la seqüenciació (trobar la posició de tots els nucleòtids del genoma) i la cartografia genètica (trobar la posició de cada gen en els 23 cromosomes dels humans).

Identificació dels gens del genoma humà. Actualment se sap que el genoma humà està format per uns 25000 gens.

Determinació de la seqüència de bases nitrogenades que formen l’ADN humà (en tenim més de tres mil milions).

Emmagatzematge segur de la informació anterior creant una base de dades d’accés públic. Ara mateix des d’Internet és possible accedir als resultats del projecte i conèixer comparacions entre espècies d’animals i de plantes.

Història

El 1984 el DOE (Departament d’Energia d’Estats Units) es va interessar en els efectes que els seus programes nuclears produïen en la genètica i les mutacions.

El 1988 James Watson va assumir la direcció executiva de la Investigació del Genoma Humà al NIH (National Institute of Health). Al fer-ho, va firmar un acord amb el DOE per a cooperar en la investigació. L'interès internacional va créixer notablement, motivat per no quedar darrere els Estats Units en aquest tema tant important. Per a evitar repeticions i solapaments de descobriments, a més de per a coordinar els treballs d'investigació, es va crear HUGO (Human Genome Organization).

El 1998 Craig Venter va fundar l'Institut per la Investigació Genètica (TIGR), finançat amb diners públics i privats, que el 1995 es va donar a conèixer amb el descobriment de la primera seqüència nucleòtica completa d'un organisme, la bactèria Haemophilus influenzae amb uns 1740 gens. Al maig del mateix any va sorgir la primera empresa relacionada amb el PGH, Celera Genomics. A partir d'aquest moment, va començar una cursa frenètica entre diversos laboratoris relacionats amb el tema per a ser els primers seqüenciar trossos de cromosomes per incorporar les seqüències als seus bancs de dades i adjudicar-se la prioritat de patentar-les.

El 6 d'abril del 2000 es va anunciar la finalització del primer borrador del genoma humà seqüenciat que localitzava els gens dins dels cromosomes. El 15 i 16 de febrer del 2001 es va publicar la seqüenciació definitiva del Genoma Humà a les revistes Nature i Science, amb una fiabilitat del 99,9% i un any abans del previst.

L'abril del 2003 es va anunciar el genoma essencialment complet, després de successives seqüenciacions. Això era dos anys abans del previst. El maig del 2006 es va arribar a prop de la culminació del projecte al publicar la seqüència de l'últim cromosoma humà a la revista Nature.

Activitat

Què s’ha fet i trobat?

El projecte s'ha basat en agafar mostres de genoma humà i seqüenciar i cartografiar aquests. Per tant, només s'ha trobat l'estructura genètica humana, cosa que fa més fàcil entendre algunes malalties genètiques,

Actualment s'ha seqüenciat tot el genoma humà, però això és només el pas previ al projecte més gran i ambiciós: el Projecte del Proteoma Humà.

Què falta per descobrir?

El PPH vol desxifrar com la seqüència genètica es transforma en una proteïna determinada que desenvoluparà certa funció. Això en el futur podria permetre la identificació dels caràcters corresponents a cada gen, un pas gegantí cap a la modificació genètica.

Aplicacions

Permet conèixer les bases moleculars de les malalties hereditàries i fer un diagnòstic bastant precís, com la síndrome d'Alzheimer o la malaltia de Gaucher, a la qual se li ha trobat una cura gràcies a aquest projecte.

Permet fer un diagnòstic prenatal, fent possible saber si un fetus té certa malaltia o és propensa a tenir-la. Així es pot avortar o si més no prendre les mesures adequades.

La teràpia gènica, que encara està en desenvolupament, permetria curar moltes malalties com la immunodeficiència severa combinada, que va ser tractada per primer cop pel NIH agafant uns glòbuls blancs del pacient i modificant-los genèticament implantant còpies d'ADN no defectuoses.

Podria permetre eliminar alguns efectes secundaris de medicaments i millorar la seva eficiència al saber les característiques genètiques del pacient, podent adaptar-los.

També ha propiciat la creació de la medicina predictiva, que pot diagnosticar moltes malalties amb antelació i permet un tractament preventiu o més ràpid.