La ingeniería genética es la manipulación y modificación de los genes de un organismo alterando, eliminando o insertando material genético en su genoma por medio de las diferentes tecnologías de edición genética. Las técnicas de ingeniería genética suelen implicar el aislamiento, la manipulación y la introducción de ADN en un ser vivo, normalmente para expresar un gen que codifica para alguna proteína o enzima de interés. El objetivo es eliminar o introducir nuevas características en un ser vivo para aumentar su utilidad. Dado que una proteína está codificada por una secuencia de ADN específica llamada gen, las versiones futuras pueden modificarse cambiando el ADN. Una forma de hacerlo es aislar el fragmento de ADN que contiene el gen, cortarlo con precisión y reintroducirlo en un segmento de ADN diferente.
La ingeniería genética tiene aplicaciones muy diversas en campos como la medicina, la biotecnología, la agricultura industrial y la investigación científica. Los organismos creados mediante ingeniería genética son conocidos como organismos genéticamente modificados u OGM y son la base de productos orgánicos sintéticos como los alimentos transgénicos. Los procesos de inducción de la modificación genética han permitido descifrar la estructura de secuencias completas de ADN, facilitando así la clonación de genes. La clonación genética es una técnica muy utilizada en microbiología para identificar y copiar un gen concreto en un organismo simple empleado como receptor, una bacteria por ejemplo. Este proceso es muy importante en la síntesis de algunos subproductos utilizados para el tratamiento de diversas enfermedades.
Técnicas La ingeniería genética incluye un conjunto de técnicas biotecnológicas, entre ellas destacan: La secuenciación del ADN La reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Plasmocitosis Clonación molecular Mutación excepcional Bloqueo génico
Tecnología del ADN recombinante
thumb|A. tumefaciens adhiriéndose a una célula de zanahoria. La tecnología del ADN recombinante consiste en aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para «recombinarlo» con el de otro organismo
Generalmente se trata el ADN con una endonucleasa de restricción que origina en este caso un corte escalonado en las dos hebras dobles de ADN. Los extremos escalonados de ambas hebras de ADN son complementarios, una condición que deben tener si se quieren unir. Los dos ADN así cortados se mezclan, se calientan y se enfrían suavemente. Sus extremos cohesivos se aparearán dando lugar a un nuevo ADN recombinado, con uniones no covalentes. Las uniones covalentes se forman añadiendo ADN ligasa y una fuente energética para formar los enlaces.
Otra enzima clave para unir ADN es la transferasa terminal, que puede adicionar muchos residuos de desoxirribonucleótidos sucesivos al extremo 3´de las hebras del ADN. De este modo pueden construirse colas de poli Guanina en los extremos 3´ de una de las hebras de ADN y colas de poli Citosina en los extremos de la otra cadena. Como estas colas son complementarias, permitirán que los dos ADN se unan por complementariedad. Posteriormente, se forman los enlaces covalentes por la ADN ligasa.
El ADN recombinado se inserta en un ADN vector que actúe como vehículo para introducirlo en una célula hospedadora que lo replique, los vectores o transportadores más utilizados son los plásmidos y el ADN del fago lambda.
Secuenciación del ADN
Es un conjunto de técnicas que permiten conocer el orden en que aparecen los nucleótidos en el ADN, que es la base de la información genética de los organismos. Esta técnica tiene aplicaciones médicas, como la búsqueda de algún polimorfismo genético que se asocie con una enfermedad; básicas: comparar la historia evolutiva de un organismo; o forenses.
Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
La técnica de la PCR aprovecha la actividad enzimática por la que se réplica el ADN en las células para conseguir una gran cantidad de copias de ADN a partir de cantidades pequeñas. Se utiliza una polimerasa o una mezcla de varias que puedan resistir temperaturas elevadas, siendo la más común la polimerasa taq.
La técnica consiste en realizar varios ciclos de temperaturas elevadas para conseguir la desnaturalización del ADN y temperaturas más bajas para la amplificación del ADN desnaturalizado mediante la polimerasa.
Biotecnología genética En la década de 1970 se abrieron nuevas perspectivas en el campo de las biotecnologías gracias a la elaboración de nuevas técnicas que permiten llegar directamente al material que está en el origen de todas las características y procesos vitales, es decir, el ADN. Este conjunto de técnicas moleculares de manipulación genética recibe el nombre de ingeniería genética.
Su objetivo es la manipulación in Vitro del ADN, la introducción de este ADN así modificado en células vivas y la incorporación del mismo como parte del material hereditario de dichas células. De este modo, ADN de diversas procedencias, por ejemplo, la fracción de ADN humano que regula la síntesis de insulina, puede introducirse en bacterias de manera que pasa a formar parte de su genoma y lograr así que la bacteria adquiera la capacidad de elaborar insulina.
Terapia genética La terapia genética consiste en sustituir o añadir, según el caso, una copia normal de la región defectuosa del ADN para poder solucionar y restablecer la función alterada, evitando el desarrollo de enfermedades de origen genético, como por ejemplo la facultad defensiva ante las enfermedades infecciosas. Las enfermedades con las que se ha empezado a trabajar son, entre otras, la deficiencia de la enzima ADA (adenosina desaminasa), conocida como la de los niños burbuja y la DMD o distrofia muscular de Duchenne.
La posibilidad de curar las enfermedades genéticas con un tratamiento específico justifica los esfuerzos que se están realizando en este sentido.
Implicaciones éticas La ingeniería genética tiene aplicaciones en campos muy diversos; dos de los más importantes son la medicina y la creación de nuevas especies o mejora de las existentes. El progreso en estos ámbitos puede aportar resultados capaces de aliviar algunos problemas de gran importancia, pero no se debe olvidar que la explotación comercial de las tecnologías requeridas sólo está al alcance de unas pocas empresas multinacionales. Como era de esperar, la tradicional dependencia económica de los países subdesarrollados tiene en la ingeniería genética un nuevo elemento de desequilibrio. En otro orden de cosas, la ingeniería genética puede plantear graves problemas éticos. Hay opiniones muy diversas sobre dónde han de situarse los límites de manipulación del material que está en la base de todos los procesos vitales.
Al inicio de los experimentos del ADN recombinante, varios investigadores mostraron su preocupación por los riesgos que se pueden realizar con dichas técnicas. En varios países se crearon comités para discutir el uso y la aplicación de técnicas de ingeniería genética.
Ingeniería genética en seres vivos En bacterias
Son los seres vivos más utilizados en Ingeniería Genética. La más utilizada es la Escherichia coli. Se usa prácticamente en todos los procesos de I.G.
Otra de las aplicaciones más actuales que se han hecho, ha sido modificar genéticamente bacterias que vivan en el sistema digestivo del ser humano en un lapso mínimo de 6 meses a 1 año, con el objetivo de disminuir el apetito. Esta investigación se basa en N-acil-fosfatidiletanolamina, y N-acil-etanolamina, encargadas de mandar señales al hipotálamo, que es el encargado de la ingesta de alimentos.
En levaduras y hongos Son junto con las bacterias los sistemas más utilizados. El Saccharomyces cerevisiae fue el primer sistema eucariota secuenciado completamente. Otra levadura importante es P. pastoris, utilizada para conseguir proinsulina en cultivo discontinuo y quitinasa en cultivo continuo. En el campo de los hongos destaca por su labor médica el Penicillium.
Otra aplicación ha sido la levadura P. pastoris se ha usado para producir grandes cantidades de proteínas, gracias a que es capaz de crecer en los reactores hasta alcanzar muy altas densidades celulares. Por ejemplo, se ha utilizado para producir quitinasa humana en cultivo continuo (0,3g/L/día) o proinsulina humana en un sistema discontinuo (1,5g/L).
thumb|Ratones knockout.
En animales Producción animal por ingeniería genética:
La manipulación genética de los animales persigue múltiples objetivos: aumentar el rendimiento del ganado, producir animales con enfermedades humanas para la investigación, elaborar fármacos, etc.
Peces transgénicos: las aplicaciones principales en animales se han realizado en peces, debido a que la fecundación es externa, lo cual permite la introducción del gen en el cigoto antes de que se unan el núcleo del espermatozoide y el del óvulo. Se han producido carpas transgénicas que crecen mucho más rápido, debido a la incorporación del gen de la hormona del crecimiento de la trucha, y salmones transgénicos, que resisten mejor las bajas temperaturas.
Mamíferos: se han obtenido ratones transgénicos, con distintos genes modificados. Sin embargo, todavía su aplicación para la mejora de especies es preliminar, enfocándose el estudio desde un punto de vista más bien puramente científico.
En plantas Actualmente se han desarrollado plantas transgénicas de más de cuarenta especies. Mediante ingeniería genética se han conseguido plantas resistentes a enfermedades producidas por virus, bacterias o insectos. Estas plantas son capaces de producir antibióticos, toxinas y otras sustancias que atacan a los microorganismos. También se han conseguido otro tipo de mejoras, como la producción de distintas sustancias en los alimentos que aumentan su calidad nutricional, mejorar las cualidades organolépticas de un producto o que ciertas plantas sean más resistentes a determinados factores ambientales, como el frío.
Un gran ejemplo de ello es la bacteria Agrobacterium tumefaciens que tiene la capacidad de transferir ADN entre reinos diferentes. El impacto de este hallazgo ha tenido grandes aplicaciones en diversos campos de la biología vegetal, agricultura y biotecnología. Así mismo, esta interacción ha dado pie a formular modelos de señalización celular, transporte célula a célula, importe nuclear de proteínas y ADN y mecanismos de integración genómica (Tzfira y Citovsky, 2000). Durante el proceso de infección A. tumefaciens introduce en la célula vegetal una parte de su ADN (ADN de transferencia) el cual es integrado dentro del genoma de la planta. Los genes del ADN-T son expresados en su hospedero e inducen la formación de tumores y la síntesis de unos derivados de aminoácidos llamados opinas los cuales son aprovechados por la bacteria.Valderrama, A., Arango, R. y Afanador, L. (2005). Transformación de plantas mediada por agrobacterium: "Ingeniería genética natural aplicada". Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín, 58(1), 2569-2585.
Las técnicas de ingeniería genética también permiten el desarrollo de plantas que den frutos de maduración muy lenta. Así, es posible recoger tomates maduros de la tomatera y que lleguen al consumidor conservando intactos su sabor, olor, color y textura. La mejora de la calidad de las semillas es también un objetivo.
Las aplicaciones farmacéuticas son otro gran punto de interés. La biotecnología permite desarrollar plantas transgénicas que producen sustancias de interés farmacológico, como anticuerpos, ciertas proteínas u hormonas, como la hormona del crecimiento.
Aplicaciones en medicina e industria farmacéutica
Obtención de proteínas de seres vivos