BIOTECNOLOGÍA

1. BIOTECNOLOGÍA

La biotecnología es un conjunto de técnicas y procesos que emplea a los MO o sustancias derivadas de ellos para obtener productos, bienes o servicios de utilidad para el ser humano. La biotecnología incluye los procesos tradicionales de elaboración de bebidas alcohólicas, productos lácteos, etc. Pero también las modernas técnicas de bioquímica, microbiología, inmunología, ingeniería genética, clonación, nanotecnología, etc. Las aplicaciones de la biotecnología abarca numerosos campos, por lo que se clasifica en: Roja: empleada en medicina. Producción de vacunas, antibióticos y otros fármacos, terapia génica, diagnósticos moleculares, manipulación genética,... Verde: procesos agrícolas y ganaderos. Plantas y animales transgénicos, clonación, plantas asociadas a MO,... Azul: biotecnología acuática y marina. Acuicultura, alimentación, ecología, fármacos,... Blanca: biotecnología industrial. Productos químicos, nuevos materiales, combustibles, biorremediación,...

2. INGENIERÍA GENÉTICA

La ingeniería genética es el conjunto de procesos y técnicas que permite la manipulación de los genes de un organismo, creando OGM (organismos genéticamente modificados). Una de sus aplicaciones más utilizadas es en la transferencia de genes entre organismos diferentes, formado organismos transgénicos. A esta tecnología se le llama también del ADN recombinante, ya que este es el nombre que recibe el ADN formado por la unión de fragmentos procedentes de organismos distintos.

2.1. HERRAMIENTAS DE LA INGENIERÍA GENÉTICA

La tecnología del ADN recombinante precisa de dos herramientas básicas: las endonucleasas de restricción y las ADN ligasas. Endonucleasas de restricción: (hoy día se usa cada vez más CRISPR) son enzimas bacterianas capaces de reconocer una determinada secuencia de ADN y cortarlo entre determinados pares de bases. De esta forma se crean fragmentos de ADN cuyos extremos están formados por ADN monocatenario. Estos extremos se denominan extremos cohesivos, ya que pueden unirse a otros fragmentos similares. Hoy se conocen más de 3.000 enzimas de restricción, de los que unas 600 están comercializadas. Gracias a las endonucleasas se pueden seleccionar los genes de interés en el organismo donante, cortarlos y prepararlos para insertarlos en un receptor. ADN ligasas: son enzimas capaces de unir los extremos cohesivos de los fragmentos de ADN producidos por las endonucleasas. Para obtener ADN recombinante, se cortan diferentes moléculas de ADN con la misma enzima de restricción. Los fragmentos obtenidos se ponen en contacto junto a ligasas, que los unen al azar. Algunas de las moléculas obtenidas serán ADN recombinante.

2.2. CRISPR

El sistema CRISPR/Cas9 (en inglés: clustered regularly interspaced short palindromic repeats, en español repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas) se utiliza desde 2013 en la edición de genes. Es un sistema inmune procariota contra fagos y plásmidos extraños que se ha adaptado para la edición genética. Su enorme precisión y potencialidad lo han convertido en sustituto de las enzimas de restricción. Otras técnicas de edición que se emplean actualmente son ZFN (Nucleasas con dedos de zinc) y TALEN (Nucleasas tipo activadores de transcripción).

2.3. CLONACIÓN DEL ADN

Para poder modificar genéticamente un organismo receptor mediante otro donante es preciso disponer de muchas copias del gen de interés. Una forma clásica de obtener dichas copias es la clonación de ADN o clonación génica. Para clonar un gen debe introducirse en una célula que lo mantenga y lo replique. Para ello se necesita un vector de clonación, es decir, un transportador del gen al interior de la célula. La unión del gen de interés con el vector formará un ADN recombinante que, introducido en la célula apropiada, permitirá obtener multitud de copias. La clonación génica permite obtener genotecas de ADN, secuenciar genomas, obtener proteínas recombinantes, terapia génica,... Existen diversos tipos de vectores de clonación, entre ellos virus, balas de oro y plásmidos. Los virus son difíciles de crear y manipular, pero cada vez se usan más. Un caso especial es su uso en cultivos de células de insectos. El cultivo de células de insecto consiste en la manutención de líneas celulares de insecto en condiciones controladas de laboratorio. Se trata de un cultivo celular especial, cuya principal aplicación consiste en el cultivo de baculovirus de cara a la expresión y purificación de proteínas recombinantes. Los plásmidos son los más utilizados en bacterias. Estas pequeñas moléculas de ADN circular se recombinan con el gen de interés y con un marcador, como un gen de resistencia a antibióticos. El plásmido recombinante se introduce en bacterias mediante transformación. Las bacterias transformadas son seleccionadas gracias al marcador, luego se cultivan y, finalmente, se aíslan los plásmidos recombinantes producidos por estas bacterias para obtener las copias del gen de interés clonado.

2.4. REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR)

Aunque la clonación génica se sigue usando, actualmente existe una técnica mucho más eficaz de clonar genes: la reacción en cadena de la polimerasa o PCR. La PCR imita la replicación del ADN celular, pero in vitro y sin células. Esta tecnología es capaz de obtener millones de copias de un fragmento de ADN en muy poco tiempo (amplificación del ADN). Para ello se necesita: El ADN a amplificar. Cebadores: oligonucleótidos complementarios de los extremos 3’ del ADN a copiar. Los 4 tipos de desoxirribonucleótidos trifosfato necesarios para fabricar ADN: ATP, GTP, CTP, TTP. Una ADN polimerasa resistente al calor obtenida de una bacteria termófila. Cada ciclo de replicación o amplificación consta de 3 etapas: Etapa 1: desnaturalización. Calentamiento a 95 ºC para separar las dos cadenas del ADN a clonar. Etapa 2: hibridación. Enfriamiento a 55 ºC para que los cebadores se unan a las cadenas de ADN. Etapa 3: síntesis de ADN. Calentamiento a 72 ºC para que la ADN polimerasa sintetice nuevas cadenas. Cada ciclo dura unos 5 minutos. Tras 20-30 ciclos se dispone de millones de copias. Esta técnica es de gran utilidad en detección temprana de patógenos, medicina forense (huella genética), estudios evolutivos, etc.

2.5. OTRAS TÉCNICAS DE CLONACIÓN DE ÁCIDOS

NUCLEICOS

En los últimos años se han desarrollado varias técnicas nuevas para amplificar los ácidos nucleicos. Dichas técnicas no pueden suplir a la PCR en todos los casos, pero presentan grandes ventajas en determinadas circunstancias. Las más utilizadas son la LAMP (Loop Mediated Isothermal Amplification: Amplificación isotérmica mediada por bucle) y la NASBA (Nucleic Acid Sequence Based Amplification: amplificación basada en la secuencia de ácidos nucleidos). Ambas tienen la ventaja de realizarse a temperatura constante, por lo que es más sencilla y rápida. Sin embargo, se precisan cebadores muy específicos y en mayor número. Aunque no pueden sustituir a la PCR, tienen gran utilidad en el diagnóstico concreto de determinadas enfermedades. últimamente han permitido un gran avance en la detección temprana de malaria (Artículo en “Médicas UIS”).

3. BIOTECNOLOGÍA TRADICIONAL

La biotecnología industrial tradicional cultiva MO para obtener productos comerciales o realizar transformaciones químicas. Muchas industrias dependen en parte o enteramente de la acción bacteriana. El uso de bacterias por el ser humano comenzó hace, al menos, 8.000 años, con la producción de bebidas alcohólicas como vino y cerveza. Hoy en día, las bacterias y otros MO se manipulan genéticamente (OGM) para lograr que sean más eficaces o produzcan sustancias nuevas. Actualmente se emplean tres grupos de MO en la industria: bacterias (principalmente actinomicetes para obtener antibióticos y lactobacilos en la industria láctea); mohos y levaduras. Entre los usos industriales destacan: Fabricación de sustancias químicas: alcohol etílico y butírico, ácido acético, acetona... Curado y curtido: tabaco, caucho, cuero, algodón... Alimentos fermentados: quesos, mantequilla, encurtidos, salsas, vino, vinagre, yogur... Ecología: reciclado de basura y biorremedación. La biorremedación es un proceso que utiliza organismos vivos o muertos para descomponer, transformar o eliminar contaminantes presentes en el medio ambiente. Los microorganismos, especialmente bacterias y hongos, son los principales actores en la biorremedación. Estos organismos poseen enzimas especializadas que les permiten metabolizar diversos compuestos químicos, convirtiéndolos en formas menos tóxicas o completamente inofensivas. Algunos ejemplos de biorremediación incluyen la degradación de hidrocarburos en suelos contaminados, la eliminación de metales pesados en aguas residuales y la descomposición de compuestos orgánicos volátiles en el aire. Farmacia: antibióticos y productos enantioméricamente puros. Agricultura: control de parásitos. Biología, genética, bioquímica: investigación genética, metabolismo, biotecnología (insulina, antibióticos, anticuerpos, factores de crecimiento...)... En microbiología industrial se llaman fermentaciones a todos los procesos de los MO que permiten la obtención de sustancias comerciales, aunque no sean realmente una fermentación. Las fermentaciones se realizan en grandes tanques llamados fermentadores o biorreactores.

3.1. MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

1. LEVADURAS Las levaduras son los MO más utilizados en la industria alimentaria. Casi siempre se utiliza alguna variedad de la levadura Saccharomyces cerevisiae , conocida hace miles de años. Las cepas actuales son el resultado de la selección y mejora a lo largo de siglos y, en las últimas décadas, mediante ingeniería genética. (Noticia sobre su falta de diversidad). Las levaduras se utilizan para fabricar alcohol, bebidas alcohólicas, pan, vitaminas y factores de crecimiento. Para ello se utilizan fermentadores alimentados por residuos de la industria del azúcar de caña y remolacha. PRODUCCIÓN DE VINO. El vino se obtiene de la fermentación de zumos de frutas, principalmente uva. La ciencia que se encarga de la elaboración de los vinos se denomina enología. 2. BACTERIAS DEL ÁCIDO LÁCTICO. FABRICACIÓN DE QUESOS. La fabricación del queso y otros derivados lácticos (yogur, mantequilla), se realiza por fermentación láctica realizada principalmente por bacterias lácticas. (Lactococcus lactis, Lactobacillus, Lactococcus, Propionibacter,...) fermentan la lactosa de la leche convirtiéndola en ácido láctico.

4. BIOTECNOLOGÍA MODERNA: ORGANISMOS

GENÉTICAMENTE MODIFICADOS

Las técnicas de ingeniería genética han permitido la obtención de organismos genéticamente modificados (OGM), seres vivos con su genoma modificado o con genes de otras especies (transgenes) que originan organismos transgénicos.

4.1. BACTERIAS Y LEVADURAS TRANSGÉNICAS

Se obtienen mediante plásmidos. En las bacterias se insertan por transformación. En levaduras mediante un gen artificial (YAC: Yeast Artificial Chromosome).

4.2. ANIMALES Y PLANTAS TRANSGÉNICOS

Son mucho más difíciles de obtener, porque es más complicado introducir genes en sus células. Pueden darse: Quimeras transgénicas: organismos con unas células transgénicas y otras que no, debido a que se introdujeron los genes sólo en algunas de las células embrionarias. Organismos transgénicos: organismos con todas sus células modificadas por algún transgén, ya que se introdujeron en células embrionarias que formaron un individuo completo. Animales transgénicos: se inserta el transgén en el óvulo recién fecundado o en células madre embrionarias que luego son implantadas en una madre de acogida. Plantas transgénicas: el transgén se inserta mediante un plásmido Ti, vector natural de la bacteria Agrobacterium tumefaciens, que infecta plantas. También puede darse la inserción mediante pistolas de microbalas de oro o por el ADN de los cloroplastos.

4.3. APLICACIÓN DE ORGANISMOS TRANSGÉNICOS

Biofarmacia: producción de proteínas, hormonas, insulina, etc. Tanto en bacterias como en animales y plantas. Alimentos y mejora vegetal y animal: alimentos transgénicos con características especiales (arroz dorado, trigo y arroz sin gluten,...) y plantas y animales más productivos o resistentes. (Plantas transgénicas existentes). Defensa del medio ambiente y biorremediación: bacterias y plantas capaces de degradar residuos tóxicos o contaminantes. Investigación biológica y médica: estudio de rutas metabólicas, desarrollo embrionario, enfermedades, terapia génica... Obtención de órganos para xenotrasplantes: cerdos y otros animales transgénicos cuyos órganos producen menos rechazo inmunológico. Biomateriales: Un biomaterial es cualquier sustancia que ha sido diseñada para interactuar con los sistemas biológicos con un propósito médico, ya sea terapéutico (tratamiento, suplementos, reparación o reemplazo de una función tisular del cuerpo) o de diagnóstico. Se utilizan en trasplantes, tratamiento de enfermedades o investigación médica.

5. GENÓMICA

La genómica tiene como objetivo secuenciar el genoma de las especies vivas. Actualmente se han secuenciado completamente miles de organismos, principalmente bacterias, aunque también unos cientos de eucariotas, incluido el ser humano. El Proyecto Genoma Humano (1990-2003) permitió secuenciar todo el ADN humano y descubrir muchas de sus características: El genoma haploide (es decir, una sola representación por cada par), consta de unas 3.200 Mb, repartidas en 24 cadenas de ADN (22 autosomas y los cromosomas X e Y). Contiene entre 23.000 y 25.000 genes. Menos del 2% codifica proteínas (exones). El resto son intrones, secuencias reguladoras, fragmentos repetitivos, etc. Se desconoce la función de la mayoría del genoma, por lo que este proyecto fue sólo un primer paso en el estudio de la genética humana.

6. BIOÉTICA

Los increíbles avances en biotecnología han llevado a plantearse cuestiones éticas muy profundas sobre su utilización y consecuencias para la humanidad. Podría emplearse para discriminar personas en función de sus características genéticas. La reproducción asistida y el uso de la clonación con fines reproductivos o, incluso, terapéuticos, desata mucho debate y controversia entre numerosos colectivos. La terapia génica y la eugenesia podrían utilizarse para manipular embriones humanos y obtener individuos con características especiales. OMG: plantean muchas dudas sobre su potencial peligrosidad para la salud o el medio ambiente.

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