¿Qué es la ingeniería genética?
La ingeniería genética, como ya se ha dicho, se basa en la cría selectiva que los humanos han utilizado durante miles de años para reforzar las características fenotípicas deseables en los organismos. Al criar juntos organismos con la característica deseada, los humanos esperaban reforzar este fenotipo o crear otros nuevos.
Algunos ejemplos clásicos de cría selectiva son las numerosas razas de perros y los cereales modernos que tenemos hoy en día, que evolucionaron a partir de lobos salvajes y gramíneas respectivamente.
Para saber más sobre esta primera forma de ingeniería genética indirecta, ¡lee nuestro artículo Cría selectiva!
En lugar de criar organismos entre sí y esperar que se produzca el resultado deseado, la ingeniería genética lleva la influencia sobre los fenotipos a otro nivel, realizando los cambios deseados directamente en el ADN (genotipos). Estos cambios se realizan mediante diversas técnicas, la mayoría de las cuales implican el uso de la tecnología del ADN recombinante. Los organismos resultantes de esta manipulación genética se conocen como organismos modificados genéticamente (OMG).
La tecnología del ADN recombinante es una herramienta de investigación muy importante en biología. Consiste en varias técnicas de laboratorio que permiten a los científicos manipular, aislar y combinar diferentes fragmentos de ADN de interés para crear genes con nuevas funciones y producir proteínas deseables. Este ADN llamado recombinante suele transferirse después a una célula bacteriana o de levadura, donde se copia y se expresa.
El proceso de ingeniería genética
El proceso de modificar genéticamente un organismo o una célula implica varios pasos clave, cada uno de los cuales puede lograrse por diversos medios. Sin embargo, sea cual sea el mecanismo utilizado, el objetivo final es el mismo.
Selección de un gen diana
La ingeniería genética comienza con la identificación de los genes que el científico desea insertar en el organismo modificado genéticamente. Los genes necesarios dependen de lo que queramos que haga el organismo. Cuando el rasgo está controlado por un solo gen, sólo hay que mover o modificar un gen. Ésta es la forma más sencilla de insertar un nuevo rasgo en un organismo modificado genéticamente. Un ejemplo de ello es la inserción del gen de la insulina en Escherichia coli para la producción de insulina humana.
Sin embargo, muchos rasgos fenotípicos son poligénicos o el resultado de la acción de muchos genes. Entre ellos se incluye un gran número de vías metabólicas, entre otros rasgos. Su uso en ingeniería genética es más complicado, ya que hay que identificar cada gen responsable de los rasgos, o al menos los suficientes para producir la parte deseada del rasgo.
Los genes pueden identificarse mediante genética directa o inversa. La genética directa identifica primero el fenotipo deseado y luego encuentra el gen o genes responsables del mismo. Mediante la inserción de secuencias de ADN en el genoma en lugares conocidos y la búsqueda de cambios en el fenotipo, permite relacionar el fenotipo con ese gen. La genética inversa funciona a la inversa. Gracias a las técnicas modernas de genética, a menudo se dispone de grandes cantidades de datos de secuencias en las primeras fases del proceso de investigación. Esto permite identificar pronto los genes, que más tarde pueden vincularse a los fenotipos mediante la introducción de mutaciones o por otros medios diversos.
Manipulación del gen deseado
Una vez identificado el gen deseado, hay que extraerlo del organismo listo para insertarlo en otro. A continuación, hay que manipular el gen para prepararlo para su inserción en el organismo modificado genéticamente que se va a crear. Esto implica la modificación del gen para que pueda ser expresado por el organismo en el que se va a insertar.
Extracción del gen
El gen debe extraerse de la célula para poder seguir manipulándolo. Aunque la modificación in vivo del ADN es posible, también es más difícil. Primero se rompe la célula para liberar el contenido en la solución. Esto se hace mecánicamente, por ejemplo, triturándola o incluso congelándola, o rompiendo químicamente la membrana plasmática. A continuación se purifica el ADN, con los pasos necesarios según el método de lisis utilizado, listo para los usos posteriores.
Aislamiento de genes
Para insertar el gen en otro organismo, hay que separarlo del ADN que constituye el resto del genoma del organismo de origen. La forma de hacerlo depende de si se conoce o no la secuencia del gen. La técnica más extendida utiliza enzimas de restricción para aislar el gen y otras proteínas para insertarlo en un vector como un plásmido bacteriano o un virus. Este proceso se conoce como clonación molecular.
¡Lee nuestro artículo Clonación artificial para saber más sobre cómo se produce la clonación molecular!
Las enzimas de restricción son herramientas muy importantes para la ingeniería genética y la tecnología del ADN recombinante. Estas proteínas bacterianas cortan el ADN de todos los organismos en un lugar específico de la secuencia, dejando fragmentos de ADN con extremos de secuencia conocida. Esto permite a los científicos manipular e insertar fácilmente estos fragmentos de ADN. Existen más de tres mil de estas enzimas, cada una de las cuales reconoce y corta un lugar específico del ADN.
Los v ectores son herramientas de biología molecular y moléculas de ADN (normalmente bacterianas o víricas) que se utilizan para facilitar la transferencia de otro ADN a una célula huésped. ¡Los vectores son los vehículos en la clonación molecular! También suelen ayudar a expresar y replicar el ADN exógeno en el huésped.
Inserción de genes
Para que el organismo modificado genéticamente exprese el gen deseado, el gen ahora modificado debe insertarse en su genoma o como ADN extracromosómico. La transmisión del gen modificado a la descendencia puede controlarse controlando dónde se inserta el gen. La inserción en células somáticas significa que el gen no puede transmitirse, pero la inserción en células de la línea germinal permite su transmisión.
Antes de que el gen pueda insertarse en su sistema de expresión, debe modificarse para permitir la transcripción y traducción eficientes del gen. Generalmente, se añade algún tipo de marcador para permitir la identificación de los organismos modificados con éxito, como genes de resistencia a los antibióticos o proteínas fluorescentes. También suele añadirse una región promotora que estimula la transcripción del gen para aumentar la expresión del fenotipo deseado. Se utiliza una región terminadora para ordenar al sistema de expresión que termine la transcripción.
Existen varias técnicas para forzar físicamente la inserción de ADN externo en una célula huésped. Cada técnica tiene diferentes especificidades. Las técnicas más famosas son:
- Transformación - Inserción de ADN en bacterias utilizando plásmidos de ADN recombinante.
- Transducción - Se utilizan vectores virales recombinantes para insertar genes en células de mamíferos.
- Transfección - Inserción de pequeñas moléculas como ADN o ARN en células eucariotas por medios no virales.
La transformación biolística es un tipo inusual de transformación en el que los ácidos nucleicos se inyectan en los organismos mediante un bombardeo de partículas a alta velocidad. Se recubren partículas de metales pesados con el gen y luego se disparan literalmente a la célula mediante una pistola de genes, llevando el gen con ellas.
Existen varios tipos de metodologías de transfección. Puede hacerse por medios físicos, que fuerzan la entrada del material genético en la célula, o introduciendo poros (electroporación) en la membrana a través de los cuales puede entrar el ADN. También pueden utilizarse sustancias químicas para provocar la entrada del material genético en la célula, por ejemplo en la lipofección.
Orientación de la inserción genética
La mayoría de las técnicas utilizadas para modificar genéticamente los organismos insertan el gen deseado en lugares aleatorios dentro del material genético de una célula. Aunque esto puede funcionar bien y no tener efectos negativos, también puede provocar la alteración de genes dentro del organismo y, en consecuencia, de su función, lo que puede afectar a la célula. Más recientemente, se han desarrollado enzimas programables que permiten modificaciones genéticas precisas. Estas enzimas, conocidas como nucleasas, crean roturas de doble cadena dentro del ADN en puntos específicos, lo que permite secuestrar los mecanismos de reparación del ADN para insertar ADN en ese lugar. Estos sistemas de nucleasas incluyen las TALEN, las nucleasas de dedos de zinc (ZFN), ¡pero especialmente CRISPR/Cas, que está revolucionando la ingeniería genética y el mundo!
CRISPR/Cas son las siglas en inglés de Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas Regularmente Espaciadas (CRISPR) y proteína asociada a CRISPR (Cas). CRISPR/Cas es un complejo ARN/proteína que se descubrió como parte de la respuesta inmunitaria bacteriana contra la infección vírica. Su fama actual se debe a que es la tijera molecular definitiva. CRISPR/Cas es esencialmente la mejor herramienta de edición genética disponible, ya que nos permite introducir con precisión cambios en bases específicas del ADN.
Usos y ejemplos de ingeniería genética
La ingeniería genética tiene muchos usos tanto dentro como fuera del laboratorio en muchos campos como la agricultura, la investigación, la industria, la medicina, los artículos novedosos y la conservación.
La ingeniería genética en medicina
En medicina, la ingeniería genética se ha utilizado para diversos fines. Uno de los principales ejemplos es la producción de fármacos, como la producción bacteriana de insulina humana, que fue el primer ejemplo del uso de bacterias para producir en masa moléculas biológicas humanas. Actualmente, estas técnicas se utilizan para crear muchas cosas, como anticuerpos monoclonales, hormonas, vacunas, factores de coagulación y otras proteínas.
Fig. 1 - Esquema de la producción de insulina mediante ingeniería genética
Al modificar los animales para que tengan determinadas enfermedades genéticas, se pueden estudiar las causas subyacentes de estas enfermedades y probar curas. Modificar la genética animal también puede remediar la escasez de órganos para trasplantes, aumentando la compatibilidad de los órganos animales durante el xenotrasplante. Aunque la ingeniería genética puede utilizarse para permitir que se prueben curas, también puede utilizarse como cura en sí misma. La terapia génica se utiliza para modificar genéticamente a los seres humanos con el fin de corregir enfermedades genéticas como la anemia falciforme, la distrofia muscular de Duchenne (DMD) y la leucemia.
Fig. 2 - Modificación genética de una cabra
Las terapias génicas son técnicas de ingeniería genética que utilizan genes para tratar o curar directamente un trastorno genético heredado o adquirido. Con la llegada del CRISPR/Cas, la terapia génica basada en la edición de genes es cada vez más popular y tiene más éxito en la corrección directa de mutaciones causantes de enfermedades de base específica.
La ingeniería genética en la investigación
Los organismos modificados genéticamente pueden utilizarse en investigación. Mediante la inserción de genes en bacterias, se puede obtener un suministro casi infinito de ellas de forma fácil y barata. Otras vías de investigación se centran en la modificación de la función de los genes dentro de un organismo para estudiar el papel y las funciones del gen. La modificación puede implicar alteraciones de la función del gen, el seguimiento de la proteína que codifica el gen o el análisis de la expresión del gen.
Ingeniería genética para productos novedosos
La ingeniería genética también se ha utilizado para fabricar varios productos novedosos, que suelen derivar de organismos rebautizados que se crearon como parte de proyectos de investigación.
Un ejemplo son losGloFish, peces modificados genéticamente para expresar proteínas fluorescentes de varios colores. Se desarrollaron inicialmente en un laboratorio de la Universidad Nacional de Singapur como parte de un proyecto de investigación destinado a crear un pez capaz de detectar contaminantes medioambientales y fluorescente. Otros ejemplos de organismos modificados genéticamente novedosos son las bacterias modificadas para poder crear arte, las plantas resplandecientes y las flores de nuevos colores.
Figura 3. Glofish, un uso novedoso de la ingeniería genética con raíces en la investigación seria.
La ingeniería genética en la industria
Los organismos modificados genéticamente se utilizan en la industria para crear grandes cantidades de proteínas deseadas, de forma similar a como se utilizan para crear muchos medicamentos. También se han utilizado en la gestión de residuos, como la alimentación con petróleo, plásticos, la extracción de metales pesados y otros contaminantes de la tierra y muchos otros usos. También se han utilizado para crear materiales como nanotubos de carbono y baterías de litio. También se utilizan en la producción de alimentos y como sensores de numerosos factores medioambientales.
La ingeniería genética en la agricultura
El uso de organismos modificados genéticamente en la agricultura es un tema muy controvertido, sin embargo, ofrece muchas oportunidades para resolver grandes problemas a los que se enfrenta la sociedad. Las plantas se han modificado para que sean más resistentes a los patógenos, más nutritivas, tengan mayor rendimiento, produzcan compuestos diferentes, crezcan más deprisa o resistan mejor las condiciones ambientales.
La ingeniería genética en la conservación
La ingeniería genética se ha utilizado en la conservación para que las plantas resistan a los patógenos, crear virus que puedan controlar las especies invasoras o vacunar a los organismos autóctonos. También podría utilizarse potencialmente para ayudar a los organismos autóctonos a adaptarse al cambio climático y a otras amenazas.
Beneficios y riesgos de la ingeniería genética
Hay una serie de ventajas e inconvenientes de la ingeniería genética, que se exponen a continuación.
Ventajas de la ingeniería genética
- Permite modificar organismos para que hagan exactamente lo que necesitan los científicos.
- Resuelve la dependencia de otras tecnologías potencialmente más destructivas, como los pesticidas.
- Permite la producción de sustancias que de otro modo serían difíciles, caras o imposibles de fabricar en grandes volúmenes.
Desventajas de la ingeniería genética
- La modificación genética puede "escaparse" y entrar en otros organismos. Predecir las consecuencias a largo plazo de esto es muy difícil.
- La modificación de organismos puede tener consecuencias no deseadas para el organismo.
- Plantea varias cuestiones éticas y morales, como si se puede patentar la vida y si debemos "jugar a ser dioses".
Ingeniería genética - Puntos clave
- La ingeniería genética permite realizar cambios directos en el ADN.
- Esto permite mejorar fenotipos ya existentes o añadir otros nuevos a un organismo.
- Primero hay que identificar el gen o genes responsables del fenotipo, luego extraerlos y modificarlos, antes de insertarlos en el organismo deseado.
- La ingeniería genética puede utilizarse para la medicina, la investigación, la novedad, la industria, la agricultura, la conservación y muchos otros ámbitos.
- La ingeniería genética es una técnica versátil; sin embargo, podría tener muchos efectos secundarios no deseados.
Referencias
- Figura 3: Glofish (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glofish_shark_purple.jpg) por Ccm272. Licencia CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en).
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