BIOTECNOLOGIA

ÍNDICE:

a)Introducción.

b)Explicación de ADN recombinante.

c)Explicar la obtención de vacunas.

d)Explicar la obtención de transgénicos.

e)Conocer algunos ejemplos de la aplicación de la agricultura y la mejora del medio ambiente.

IntroducciónLa ingeniería genética se define como el estudio y manipulación de los genes de organismos vivos para mejorar la vida del hombre. Desde las publicaciones de los primeros experimentos en ingeniería genética, en la década de los setenta, una enorme controversia se abrió en el mundo científico y social de aquella época. Las perspectivas que abrían los nuevos descubrimientos variaban desde un mundo maravilloso sin enfermedades, con un increíble rendimiento agrícola y ganadero, todo tipo de nuevos fármacos, hasta un mundo catastrófico. La realidad ha sido diferente, actualmente la ingeniería génica tiene importantes aplicaciones en diversas áreas.

Explicación de ADN recombinante.

El ADN recombinante, o ADN recombinado, es una molécula de ADN artificial formada de manera deliberada in vitro por la unión de secuencias de ADN provenientes de dos organismos de especies diferentes que normalmente no se encuentran juntos. Al introducirse este ADN recombinante en un organismo se produce una modificación genética que permite la adición de un nuevo ADN al organismo conllevando a la modificación de rasgos existentes o la expresión de nuevos rasgos. La producción de una proteína no presente en un organismo determinado y producidas a partir de ADN recombinante se llaman proteínas recombinantes.

El proceso de producción de un ADN recombinante comienza con la identificación desde un organismo de una secuencia de ADN de interés con el fin de propagarlo en otro organismo que carece de la secuencia y, por ende, del producto protéico de esa secuencia de ADN. Así se pueden producir cantidades ilimitadas de la proteína codificada por el susodicho gen. En términos simples, el procedimiento consiste en:

Localización de genes y sus funciones.

·Clonación del ADN, y su posterior almacenamiento en genotecas.

•Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

•Utilización de vectores de expresión.

El vector que se utiliza contiene secuencias de ADN que al ser replicadas confieren resistencia a antibióticos específicos. Esta técnica ha sido ampliamente utilizada en el campo de la medicina y ha permitido el desarrollo de importantes avances terapéuticos como por ejemplo la producción de insulina recombinante.

Con el uso de ADN recombinante se ha logrado obtener plantas transgénicas resistentes a insectos, hongos, bacterias y herbicidas, con mejores características de calidad durante poscosecha y con alto contenido nutricional. También ha permitido la clonación, expresión y producción mediante esta técnica de diversos antígenos, por ejemplo, la vacuna contra la

hepatitis B y la vacuna contra el virus del papiloma humano.Producción y terapia con proteínas recombinantes

Para que estas proteínas sean útiles desde el punto de vista terapéutico tienen que conservar su actividad. Además, se debe evitar que sean inmunogénicas para el ser humano. Para ello es importante decidir para cada proteína recombinante cual es el organismo de expresión más adecuado.

Producción en bacterias

Estas proteínas recombinantes han intentado expresarse en bacterias como E. coli, ya que son fáciles de mantener, crecen rápido y se conoce bien su genoma. Sin embargo, el mayor problema que presenta la producción en

bacterias es que en ellas no existe glicosilación proteica, por lo que algunas proteínas producidas en bacterias pierden totalmente su función. Aún así se han logrado producir con éxito algunas proteínas recombinantes en bacterias.

Producción en levaduras

Al ser células eucariotas y por lo tanto más similares a las humanas que las bacterias y ser muy fáciles de emplear industrialmente, las levaduras constituyen otro grupo de organismos susceptibles de producir proteínas recombinantes para uso humano. Sin embargo, aunque sí presentan glicosilación proteica, al contrario que las bacterias, esta es totalmente distinta a la humana, por lo que estas proteínas presentan problemas, en muchos casos incluso inmunogénicos.

Producción en células de insecto

Más cercanas aún a las células humanas que las levaduras son las de insecto, como las de Spodoptera frugiperda (una polilla parásito del maíz y del algodón), que se cultivan fácilmente in Vitro, aunque el medio de cultivo es caro. Dicho medio, además, no contiene suero, lo que hace más fácil el procesado de la proteína. Otra de las propuestas ha sido el uso no de células de insecto, sino de los insectos completos para la producción de estas proteínas. Para ello se infectan a los insectos con baculovirus modificados (que además no infectan a los seres humanos) para que expresen la proteína recombinante. Sin embargo, este sistema presenta

exactamente el mismo problema que el de levaduras: que las células de insecto presentan glicosilación, pero esta es totalmente distinta a la de mamíferos.

Producción en células de mamífero

Al ser células más parecidas a las humanas, el procesamiento que sufren las proteínas recombinantes producidas en células de mamífero también es más similar, por lo que se conserva su función (aunque puede haber ligeros cambios en el patrón de glicosilación). Los inconvenientes de este método es que el crecimiento celular es más lento, tardando de 6 a 24 horas en duplicarse las células, que los cultivos pueden sufrir contaminación de bacterias u hongos y que se puede contaminar el producto con virus que infecten a humanos. Para la producción en mamíferos se usan las células CHO, de ovario de ratón chino, que presentan la ventaja de que crecen bien y existen gran cantidad de mutantes de glicosilación. Además, se está intentando que los animales secreten estas proteínas en la orina, en la leche, etc.

Obtención de vacunas.-La vacuna es un preparado de antígenos que una vez dentro del organismo provoca la producción de anticuerpos y con ello una respuesta de defensa ante microorganismos patógenos. Esta respuesta genera, en algunos casos, cierta memoria inmunitaria produciendo inmunidad transitoria frente al ataque patógeno correspondiente. La primera vacuna descubierta fue la usada para combatir la viruela por Edward Jenner en 1796.

-Las vacunas se clasifican en dos grandes grupos:· Vacunas vivas o atenuadas.

Una vacuna atenuada consiste en utilizar uno o varios agentes infecciososvivos y homólogos cuya virulencia haya sido atenuada, de manera que sin producir ninguna lesión secundaria al animal, induzca inmunidad duradera frente al agente homólogo virulento.·Vacunas muertas o inactivadas.Las vacunas inactivadas están formadas por el o los microorganismos completos pero inactivado por algún método físico o químico. Estas vacunas, presentan como principales ventajas, frente a las vacunas atenuadas, su estabilidad y seguridad, así como su conservación. Sin embargo, suelen inducir una respuesta inmunitaria menor que las vacunas atenuadas.

Aplicación de las vacunas:Normalmente se aplican mediante inyección, y con menos frecuencia vía oral. En muchos casos son necesarias varias aplicaciones para conseguir que el efecto protector se mantenga durante años. Para facilitar la aplicación de vacunas en la infancia todos los países tienen elaborados unos esquemas de vacunación en la infancia, mediante un calendario vacunal.

Existen varios métodos de obtención:1. Vacunas avirulentas preparadas a partir de formas no peligrosas del microorganismo patógeno.

2.Vacunas posificadas a partir de organismos muertos o inactivos.

3.Antígenos purificados.

4.Vacunas genéticas.

Fase preparatoria de la vacunación: normas generales

•Comprobar, antes de empezar a vacunar, la temperatura que existía en el interior del frigorífico, por si se ha producido alguna incidencia que halla podido afectar al estado de las vacunas.•Todas las vacunas tienen que conservarse refrigeradas en la nevera, no congeladas.•Comprobar las características del producto que se va a administrar:oModo de conservación

oForma de administración; oral, parenteral.oVía de administración: subcutánea, intramuscular, intradérmica.oLugar de administración: deltoides, vasto externo, glúteo.oFecha de caducidad.oComprobar el aspecto físico de la vacuna por si presenta turbidez, cambios de color o floculación.

•Algunos productos biológicos liofilizados tienen, tras su reconstitución, una validez limitada y son vulnerables a la luz y al calor.•En las vacunas que se presentan liofilizadas siempre hay que mezclar el principio activo (liofilizado) con el disolvente.•Agitar enérgicamente las vacunas hasta conseguir la homogeneización del producto tanto si ha precisado reconstitución o no.•Elegir la aguja adecuada según la vía de administración, la edad del paciente, el lugar anatómico y el tipo de vacuna.•Utilizar jeringas y agujas estériles de un solo uso desechándolas, tras su utilización, en contenedores rígidos para evitar accidentes.•No mezclar varias vacunas en las mismas jeringas.•Para la limpieza de la piel se utilizará agua destilada. •En un mismo acto vacunal sólo se administrará una inyección por miembro, independientemente de la forma de administración.

Explicar la obtención de transgénicos.La obtención de un transgénico implica la participación de un organismo que dona el gen de interés y un organismo receptor del gen que expresarla nueva característica deseada.

Las etapas del trabajo son básicamente cinco:

1. Corroborar que existe un gen que codifica para la característica de interés. 2. Clonar el gen de interés. 3. Modificar el gen para que funcione mejor en el organismo receptor.4. Transferir el gen al organismo receptor. 5. Caracterizar el organismo receptor transformado.A continuación se detalla cada una de estas etapas y las técnicas que involucran.

1)Corroborar que existe un gen que codifica para la característica de interés Cuando se encuentra una característica en un organismo que resulta interesante para transferir a otro organismo debe verificarse que es producto de un gen. Para verificar que la característica de interés está codificada en el ADN y que no es resultado de la interacción con el medioambiente, se aplican técnicas de genética. Si la característica se atribuye a una proteína, que es producto directo de un gen, será más sencillo transferir esa característica a un organismo que no la tiene.

2) Clonar el gen de interés Una vez que se determinó que el organismo donante posee un gen que codifica para la característica de interés, los biólogos moleculares se lanzan a la tarea de conseguir ese gen, es decir: “clonar” el gen. Clonar un gen significa tenerlo puro en el tubo de ensayos, o mejor aún, dentro de un vector (una molécula mayor de ADN que permite guardar fragmentos de ADN en forma estable y práctica por más tiempo). La tarea de clonar involucra varias técnicas que se describen a continuación:I) Extracción de ADN. Las extracciones de ADN de todos los organismos guardan cierta similitud y consisten en romper las células para liberar su contenido y separar el ADN liberado del resto de los componentes celulares.II) Búsqueda de un gen entre la mezcla de genes del ADN. Si se conoce una pequeña porción de la secuencia del gen que se está buscando, es posible construir una sonda que permita “pescar” el fragmento de ADN que contiene esa misma secuencia. Una vez aislado ese fragmento se lo estudia más detalladamente. La técnica de PCR (siglas en inglés de Reacción en Cadena de la Polimerasa) permite amplificar la cantidad de ADN y esto facilita el clonado del gen de interés. La técnica de PCR se representa en la siguiente ilustración:

III) Secuenciación: Una vez que se visualizó el resultado del PCR en el gel de agarosa, la “bandita” del gel que contiene el ADN de interés se recorta y se purifica el ADN. Luego se realiza la secuenciación que consiste en conocer la cantidad y el orden en que se ubican los nucleótidos en el fragmento de ADN analizado. Actualmente se realiza en un secuenciador automático utilizando nucleótidos marcados fluorescentemente, que son leídos por un láser acoplado a una computadora.IV) Construcción del vector recombinante: Esta etapa consiste en “recortar y pegar” ADN para insertar el gen de interés dentro de un vector (son en general moléculas de ADN circulares). Para recortar el ADN se utilizan enzimas de restricción y para pegar fragmentos de ADN se utilizan enzimas ligasas. Como muestra la imagen el vector abierto y el fragmento de interés se agregan al tubo de ensayos en presencia de la enzima ligasa. Al fragmento de ADN dentro del vector se denomina “inserto” y el nuevo vector se conoce como “vector recombinante”.

Representación de los pasos de restricción y ligación para clonar un fragmento de ADN en un vector.

3) Modificar el genLa ventaja de tener el gen clonado en un vector, es que se puede transferir a una bacteria que, al multiplicarse en el laboratorio, también multiplica al vector que porta. De esta forma se logra tener millones de copias del

vector recombinante para poder modificar el inserto que lleva dentro. Modificar el inserto significa agregarle pequeñas secuencias de ADN, mediante el uso de ligasas, necesarias para que el gen funcione correctamente en el organismo receptor.

4) Transferir el gen al organismo receptorEl gen de interés se puede introducir en células vegetales o animales y dar lugar a la formación de un organismo genéticamente modificado (OGM) o transgénico.La introducción de nuevos genes por ingeniería genética en plantas origina los llamados cultivos transgénicos o genéticamente modificados (OGM). En la producción de estos cultivos hay una primera etapa en la que se introduce el gen de interés en las células vegetales. Este proceso también se denomina transformación. En muchas especies vegetales es posible introducir genes a través de una bacteria del suelo, llamada Agrobacterium tumefaciens. Para las monocotiledóneas se ha desarrollado un método alternativo, denominado “bombardeo con micro partículas”.La segunda etapa consiste en regenerar una planta completa a partir de la única célula transformada. El resultado es una planta completa que lleva el gen de interés en cada una de sus células. Por último se realiza el mejoramiento por cruzamiento para transferir el gen incorporado a variedades de alto rendimiento.Existen varias técnicas para transferir genes a células de mamíferos con el objetivo de que se integre al genoma. Una de ellas es la micro inyección del ADN de interés directamente en un óvulo fecundado. Los cigotos así obtenidos son luego implantados en el útero de una madre adoptiva, o receptora, que ha sido preparada hormonalmente para poder llevar adelante la gestación. Otra técnica consiste en transferir el gen de interés a las células de un embrión de mamífero que proliferan in vitro. Cuando el embrión sigue su desarrollo en el útero de una madre receptora, se forma un animal con células transgénicas.

5) Caracterizar el organismo receptor transformado.Una vez obtenido el OGM, se debe demostrar, entre otras cosas, si tiene una (o más) copias del transgén, y cómo y en qué tejidos se expresa el gen. Para lograrlo se extrae el ADN del organismo y se lo analiza. La técnica de PCR, ya explicada, permite amplificar el transgén, si es que está en el genoma del organismo, y es una técnica rápida para verificar si el organismo ha sido transformado o no. Para estimar cuántas copias del gen se insertaron en el genoma del organismo se utiliza la técnica denominada Southern Blotting que se representa en la siguiente ilustración:

Representación esquemática de la técnica de Southern Blot. En este ejemplo se analiza la presencia de un cierto gen en ADN de tres individuos. Esta técnica consiste en extraer ADN del organismo en estudio, fragmentar el ADN en forma aleatoria con enzimas de restricción, someter los fragmentos de ADN a electroforesis en gel de agarosa, y transferir los fragmentos de ADN desde el gel a una membrana. Luego, para detectar cuántas copias del transgén quedaron integradas al genoma del organismo, se utilizan sondas marcadas. La membrana se baña en una solución que contiene la sonda y se “revela” para ver si quedó marca en algún fragmento de ADN. En la ilustración las tres muestras de ADN poseen al menos una copia del gen transferido.Para analizar en qué tejido, momento y cantidad se expresa el gen se analiza la presencia del ARN mensajero y de la proteína codificados por el transgén, mediante técnicas específicas denominadas Northern blot (para el ARNm), y Western blot y ELISA (para las proteínas).

Conocer algunos ejemplos de la aplicación de la agricultura y la mejora del medio ambiente

La biotecnología vegetal es una extensión de la tradición de modificar las plantas, con una diferencia muy importante: la biotecnología vegetal permite la transferencia de una mayor variedad de información genética de una manera más precisa y controlada.

Se utiliza para resolver problemas en todos los aspectos de la producción y elaboración agrícolas, incluidos el fitomejoramiento para elevar y estabilizar el rendimiento, mejorar la resistencia a las plagas, animales y

condiciones abióticas adversas como la sequía, el frío y aumentar el contenido nutricional de los alimentos. Se usa con el fin de crear material de plantación de bajo costo y libre de enfermedades para cultivos como la yuca, el banano, las patatas y proporciona nuevos instrumentos para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades de las plantas, los animales y para la medición y conservación de los recursos genéticos. Se utiliza para acelerar los programas de mejoramiento de plantas, ganado, peces y para ampliar la variedad de características que pueden tratarse. La biotecnología está cambiando los piensos y las prácticas de alimentación de los animales para mejorar la nutrición de éstos y reducir los desechos. También es usada para diagnosticar enfermedades y producir vacunas contra enfermedades de los animales.

La biotecnología y la mejora del medio ambiente

La biotecnología ofrece muchas posibilidades para la mejora del medio ambiente.

Una de las aplicaciones más interesantes es la eliminación de metales pesados en los ecosistemas. Existen microorganismos capaces de metabolizarlos y hacerlos desaparecer.

De la misma forma, la eliminación de las mareas negras se puede llevar a cabo por bacterias capaces de digerir los hidrocarburos del petróleo, con una gran eficacia. Estas mismas bacterias son aplicables al tratamiento de diferentes tipos de contaminación asociados a la industria del petróleo, así como a las separaciones selectivas de mezclas de hidrocarburos.

También en relación con la lucha contra los contaminantes, es posible utilizar microorganismos para el tratamiento de la contaminación producida por herbicidas, pesticidas e insecticidas, así como para el procesado de diferentes tipos de residuos urbanos e industriales.

Existen microorganismos que podrían ser utilizados para ensayos sobre la toxicidad de diversos compuestos en la naturaleza, detección de metales, recuperación de metales preciosos, etc.

Por último, una aplicación de la mayor importancia es el uso de diversas especies de microorganismos seleccionados mediante técnicas biotecnológicas, para la producción de energía. Se conseguiría así una fuente de energía barata y no contaminante.

La biotecnología ambiental se ocupa de la aplicación de los procesos biotecnológicos para proteger y mantener la calidad del medio ambiente

Microorganismos y medio ambiente

En la actualidad en los laboratorios se están creando bacterias, levaduras y enzimas específicas para conseguir la degradación de los residuos mediante las siguientes técnicas:

Biometanización. Es un proceso de digestión anaerobia (sin oxígeno) de la materia orgánica por microorganismos, que la descomponen dando lugar a una mezcla de gases, principalmente metano y dióxido de carbono.

Lagunas de estabilización. Se utilizan bacterias y algas para depurar residuos líquidos por procesos naturales.

Filtros percoladores. Con filtros que contienen una población de microorganismos que degradan la materia orgánica que haya en el residuo.