10.2: Biotecnología en Medicina y Agricultura
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Es fácil ver cómo se puede utilizar la biotecnología con fines medicinales. El conocimiento de la composición genética de nuestra especie, la base genética de las enfermedades hereditarias y la invención de la tecnología para manipular y fijar genes mutantes proporciona métodos para tratar enfermedades. La biotecnología en la agricultura puede mejorar la resistencia a enfermedades, plagas y estrés ambiental para mejorar tanto el rendimiento como la calidad de los cultivos.
Diagnóstico Genético y Terapia Génica
El proceso de pruebas de sospecha de defectos genéticos antes de administrar el tratamiento se llama diagnóstico genético mediante pruebas genéticas. En algunos casos en los que una enfermedad genética está presente en la familia de un individuo, se puede aconsejar a los miembros de la familia que se sometan a pruebas genéticas. Por ejemplo, las mutaciones en los genes BRCA pueden aumentar la probabilidad de desarrollar cánceres de mama y ovario en mujeres y algunos otros cánceres en mujeres y hombres. Una mujer con cáncer de mama puede ser evaluada para detectar estas mutaciones. Si se encuentra una de las mutaciones de alto riesgo, sus parientes femeninas también pueden desear ser evaluados para esa mutación en particular, o simplemente estar más atentos a la aparición de cánceres. También se ofrecen pruebas genéticas para fetos (o embriones con fertilización in vitro) para determinar la presencia o ausencia de genes causantes de enfermedades en familias con enfermedades debilitantes específicas.
La terapia génica es una técnica de ingeniería genética que algún día puede ser utilizada para curar ciertas enfermedades genéticas. En su forma más simple, implica la introducción de un gen no mutado en una ubicación aleatoria en el genoma para curar una enfermedad reemplazando una proteína que puede estar ausente en estos individuos debido a una mutación genética. El gen no mutado generalmente se introduce en células enfermas como parte de un vector transmitido por un virus, tal como un adenovirus, que puede infectar la célula huésped y entregar el ADN extraño al genoma de la célula objetivo (Figura\(\PageIndex{1}\)). To date, gene therapies have been primarily experimental procedures in humans. A few of these experimental treatments have been successful, but the methods may be important in the future as the factors limiting its success are resolved.
Producción de Vacunas, Antibióticos y Hormonas
Las estrategias tradicionales de vacunación utilizan formas debilitadas o inactivas de microorganismos o virus para estimular el sistema inmunológico. Las técnicas modernas utilizan genes específicos de microorganismos clonados en vectores y producidos en masa en bacterias para elaborar grandes cantidades de sustancias específicas para estimular el sistema inmunológico. Después, la sustancia se usa como vacuna. En algunos casos, como la vacuna contra la gripe H1N1, los genes clonados a partir del virus se han utilizado para combatir las cepas de este virus en constante cambio.
Los antibióticos matan las bacterias y son producidos naturalmente por microorganismos como los hongos; la penicilina es quizás el ejemplo más conocido. Los antibióticos se producen a gran escala cultivando y manipulando células fúngicas. Las células fúngicas han sido típicamente modificadas genéticamente para mejorar los rendimientos del compuesto antibiótico.
La tecnología de ADN recombinante se utilizó para producir cantidades a gran escala de la hormona humana insulina en E. coli ya en 1978. Anteriormente, solo era posible tratar la diabetes con insulina porcina, lo que provocaba reacciones alérgicas en muchos humanos debido a las diferencias en la molécula de insulina. Además, la hormona del crecimiento humano (HGH) se utiliza para tratar los trastornos del crecimiento en niños. El gen de HGH se clonó a partir de una biblioteca de ADNc (ADN complementario) y se insertó en células de E. coli clonándolo en un vector bacteriano.
Animales Transgénicos
Aunque varias proteínas recombinantes utilizadas en medicina se producen con éxito en bacterias, algunas proteínas necesitan un hospedador animal eucariota para su correcto procesamiento. Por esta razón, los genes han sido clonados y expresados en animales como ovejas, cabras, pollos y ratones. Los animales que han sido modificados para expresar ADN recombinante se denominan animales transgénicos (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Varias proteínas humanas se expresan en la leche de ovejas y cabras transgénicas. En un ejemplo comercial, la FDA ha aprobado una proteína anticoagulante en sangre que se produce en la leche de cabras transgénicas para su uso en humanos. Los ratones han sido ampliamente utilizados para expresar y estudiar los efectos de genes recombinantes y mutaciones.
Plantas transgénicas
La manipulación del ADN de las plantas (creando organismos genéticamente modificados, o OGM) ha ayudado a crear rasgos deseables como resistencia a enfermedades, herbicidas y resistencia a plagas, mejor valor nutricional y mejor vida útil (Figura\(\PageIndex{3}\)). Las plantas son la fuente de alimento más importante para la población humana. Los agricultores desarrollaron formas de seleccionar variedades de plantas con rasgos deseables mucho antes de que se establecieran las prácticas biotecnológicas modernas.
Las plantas transgénicas han recibido ADN de otras especies. Debido a que contienen combinaciones únicas de genes y no están restringidas al laboratorio, las plantas transgénicas y otros OGM son monitoreados de cerca por organismos gubernamentales para garantizar que sean aptos para el consumo humano y no pongan en peligro la vida de otras plantas y animales. Debido a que los genes extraños pueden propagarse a otras especies en el ambiente, particularmente en el polen y las semillas de las plantas, se requieren pruebas extensas para asegurar la estabilidad ecológica. Grapas como el maíz, las papas y los tomates fueron las primeras plantas de cultivo en ser modificadas genéticamente.
Transformación de plantas usando Agrobacterium tumefaciens
En las plantas, los tumores causados por la bacteria Agrobacterium tumefaciens ocurren por transferencia de ADN de la bacteria a la planta. La introducción artificial de ADN en las células vegetales es más desafiante que en las células animales debido a la gruesa pared celular de la planta. Los investigadores utilizaron la transferencia natural de ADN de Agrobacterium a un hospedador vegetal para introducir fragmentos de ADN de su elección en hospedadores vegetales. En la naturaleza, los A. tumefaciens causantes de la enfermedad tienen un conjunto de plásmidos que contienen genes que se integran en el genoma de la célula vegetal infectada. Los investigadores manipulan los plásmidos para portar el fragmento de ADN deseado e insertarlo en el genoma de la planta.
El Insecticida Orgánico Bacillus thuringiensis
Bacillus thuringiensis (Bt) es una bacteria que produce cristales proteicos que son tóxicos para muchas especies de insectos que se alimentan de plantas. Los insectos que han comido la toxina Bt dejan de alimentarse de las plantas en pocas horas. Después de que la toxina se activa en los intestinos de los insectos, la muerte ocurre dentro de un par de días. Los genes de la toxina cristalina han sido clonados a partir de la bacteria e introducidos en las plantas, permitiendo así que las plantas produzcan su propia toxina cristalina Bt que actúa contra los insectos. La toxina Bt es segura para el medio ambiente y no tóxica para los mamíferos (incluidos los humanos). En consecuencia, ha sido aprobado para su uso por agricultores orgánicos como insecticida natural. Sin embargo, existe cierta preocupación de que los insectos puedan desarrollar resistencia a la toxina Bt de la misma manera que las bacterias evolucionan resistencia a los antibióticos.
Tomate FlavrSavr
El primer cultivo transgénico que se introdujo en el mercado fue el Tomate FlavrSavr producido en 1994. La tecnología genética molecular se utilizó para ralentizar el proceso de ablandamiento y pudrición causado por infecciones fúngicas, lo que llevó a aumentar la vida útil de los tomates GM. La modificación genética adicional mejoró el sabor de este tomate. El tomate FlavrSavr no se quedó exitosamente en el mercado debido a problemas de mantenimiento y envío del cultivo.
Resumen
Las pruebas genéticas se realizan para identificar genes causantes de enfermedades, y pueden usarse para beneficiar a individuos afectados y sus familiares que aún no han desarrollado síntomas de enfermedad. La terapia génica, mediante la cual los genes funcionales se incorporan a los genomas de individuos con un gen mutante que no funciona, tiene el potencial de curar enfermedades hereditarias. Los organismos transgénicos poseen ADN de una especie diferente, generalmente generado por técnicas de clonación molecular. Vacunas, antibióticos y hormonas son ejemplos de productos obtenidos por tecnología de ADN recombinante. Los animales transgénicos se han creado con fines experimentales y algunos se utilizan para producir algunas proteínas humanas.
Los genes se insertan en las plantas, utilizando plásmidos en la bacteria Agrobacterium tumefaciens, que infecta a las plantas. Se han creado plantas transgénicas para mejorar las características de las plantas de cultivo, por ejemplo, dándoles resistencia a insectos insertando un gen para una toxina bacteriana.
Glosario
- terapia génica
- la técnica utilizada para curar enfermedades hereditarias mediante la sustitución de genes mutantes por buenos genes
- pruebas genéticas
- identificar variantes de genes en un individuo que pueden conducir a una enfermedad genética en ese individuo