20.3: Ingeniería Genética
- Page ID
- 58271
La ingeniería genética es la alteración del genotipo de un organismo usando tecnología de ADN recombinante para modificar el ADN de un organismo para lograr rasgos deseables. La adición de ADN extraño en forma de vectores de ADN recombinante generados por clonación molecular es el método más común de ingeniería genética. El organismo que recibe el ADN recombinante se denomina organismo genéticamente modificado (OGM). Si el ADN extraño que se introduce proviene de una especie diferente, el organismo huésped se llama transgénico. Las bacterias, las plantas y los animales han sido modificados genéticamente desde principios de la década de 1970 con fines académicos, médicos, agrícolas e industriales. En Estados Unidos, los OGM como la soja preparada para Roundup y el maíz resistente a los barrenadores son parte de muchos alimentos procesados comunes.
Gene Targeting
Si bien los métodos clásicos de estudio de la función de los genes comenzaron con un fenotipo determinado y determinaron la base genética de ese fenotipo, las técnicas modernas permiten a los investigadores comenzar a nivel de secuencia de ADN y preguntar: “¿Qué hace este gen o elemento de ADN?” Esta técnica, llamada genética inversa, ha dado como resultado revertir la metodología genética clásica. Este método sería similar a dañar una parte del cuerpo para determinar su función. Un insecto que pierde un ala no puede volar, lo que significa que la función del ala es volar. El método genético clásico compararía insectos que no pueden volar con insectos que pueden volar, y observaría que los insectos no voladores han perdido alas. De manera similar, mutar o eliminar genes proporciona a los investigadores pistas sobre la función génica. Los métodos utilizados para inhabilitar la función génica se denominan colectivamente como diana génica. El objetivo génico es el uso de vectores de ADN recombinante para alterar la expresión de un gen particular, ya sea introduciendo mutaciones en un gen, o eliminando la expresión de un determinado gen eliminando una parte o toda la secuencia génica del genoma de un organismo.
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. Dependiendo de los patrones de herencia de un gen causante de enfermedad, se aconseja a los miembros de la familia que se sometan a pruebas genéticas. Por ejemplo, generalmente se aconseja a las mujeres diagnosticadas con cáncer de mama que se hagan una biopsia para que el equipo médico pueda determinar las bases genéticas del desarrollo del cáncer. Los planes de tratamiento se basan en los hallazgos de pruebas genéticas que determinan el tipo de cáncer. Si el cáncer es causado por mutaciones genéticas heredadas, también se aconseja a otras parientes femeninas que se sometan a pruebas genéticas y exámenes periódicos de detección del cáncer de mama. 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 utilizada para curar enfermedades. En su forma más simple, implica la introducción de un buen gen en una ubicación aleatoria en el genoma para ayudar a la curación de una enfermedad que es causada por un gen mutado. El gen bueno generalmente se introduce en células enfermas como parte de un vector transmitido por un virus que puede infectar a la célula huésped y entregar el ADN extraño (Figura\(\PageIndex{1}\)). Las formas más avanzadas de terapia génica intentan corregir la mutación en el sitio original del genoma, como es el caso del tratamiento de la inmunodeficiencia combinada grave (IDCS).
Producción de Vacunas, Antibióticos y Hormonas
Las estrategias tradicionales de vacunación utilizan formas debilitadas o inactivas de microorganismos para montar la respuesta inmune inicial. Las técnicas modernas utilizan los genes de microorganismos clonados en vectores para producir en masa el antígeno deseado. Luego, el antígeno se introduce en el cuerpo para estimular la respuesta inmune primaria y desencadenar la memoria inmune. Los genes clonados a partir del virus de la influenza se han utilizado para combatir las cepas de este virus en constante cambio.
Los antibióticos son un producto biotecnológico. Son producidos naturalmente por microorganismos, como los hongos, para lograr una ventaja sobre las poblaciones bacterianas. Los antibióticos se producen a gran escala cultivando y manipulando células fúngicas.
La tecnología de ADN recombinante se utilizó para producir grandes cantidades de insulina humana en E. coli ya en 1978. Anteriormente, solo era posible tratar la diabetes con insulina porcina, la cual provocaba reacciones alérgicas en humanos debido a diferencias en el producto génico. Actualmente, la gran mayoría de los enfermos de diabetes que se inyectan insulina lo hacen con insulina producida por bacterias.
La hormona del crecimiento humano (HGH) se usa para tratar los trastornos del crecimiento en niños. El gen de HGH se clonó a partir de una biblioteca de ADNc y se insertó en células de E. coli clonándolo en un vector bacteriano. La HGH bacteriana se puede utilizar en humanos para reducir los síntomas de diversos trastornos del crecimiento.
Animales Transgénicos
Aunque varias proteínas recombinantes utilizadas en medicina se producen con éxito en bacterias, algunas proteínas requieren un hospedador animal eucariota para su correcto procesamiento. Por esta razón, los genes deseados son 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. Varias proteínas humanas se expresan en la leche de ovejas y cabras transgénicas, y algunas se expresan en los huevos de pollos. 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 (es decir, la creación de OGM) ha ayudado a crear rasgos deseables, como resistencia a enfermedades, resistencia a herbicidas y pesticidas, 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 que han recibido ADN recombinante de otras especies se denominan plantas transgénicas. Debido a que no son naturales, 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, se requieren pruebas exhaustivas para garantizar 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
La transferencia génica ocurre naturalmente entre especies en poblaciones microbianas. Muchos virus que causan enfermedades humanas, como el cáncer, actúan incorporando su ADN al genoma humano. En las plantas, los tumores causados por la bacteria Agrobacterium tumefaciens ocurren por transferencia de ADN de la bacteria a la planta. Aunque los tumores no matan a las plantas, hacen que las plantas se atrofien el crecimiento y sean más susceptibles a las duras condiciones ambientales. Muchas plantas, como las nueces, las uvas, los árboles de nueces y las remolachas, se ven afectadas por A. tumefaciens. 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, llamados plásmidos Ti (plásmidos inductores de tumores), que contienen genes para la producción de tumores en plantas. El ADN del plásmido Ti se integra en el genoma de la célula vegetal infectada. Los investigadores manipulan los plásmidos Ti para eliminar los genes causantes del tumor e insertar el fragmento de ADN deseado para transferirlo al genoma de la planta. Los plásmidos Ti portan genes de resistencia a antibióticos para ayudar a la selección y también pueden propagarse en células de E. coli.
El Insecticida Orgánico Bacillus thuringiensis
Bacillus thuringiensis (Bt) es una bacteria que produce cristales proteicos durante la esporulación que son tóxicos para muchas especies de insectos que afectan a las plantas. La toxina Bt tiene que ser ingerida por los insectos para que la toxina sea activada. 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. La biotecnología moderna ha permitido a las plantas codificar su propia toxina cristalina Bt que actúa contra los insectos. Los genes de la toxina cristalina han sido clonados a partir de Bt e introducidos en plantas. Se ha encontrado que la toxina Bt es segura para el medio ambiente, no tóxica para humanos y otros mamíferos, y está aprobada para su uso por agricultores orgánicos como insecticida natural.
Tomate Flavr Savr
El primer cultivo transgénico que se introdujo en el mercado fue el Tomate Flavr Savr producido en 1994. Se utilizó la tecnología de ARN antisentido 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 Flavr Savr no se quedó exitosamente en el mercado debido a problemas de mantenimiento y envío del cultivo.
Consulta\(\PageIndex{1}\)
Referencias
A menos que se indique lo contrario, las imágenes de esta página están bajo licencia CC-BY 4.0 de OpenStax.
OpenStax, Biología. OpenStax CNX. mayo 27, 2016 http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:8CA_YwJq@3/Cloning-and-Genetic-Engineerin
Moen I, Jevne C, Kalland K-H, Chekenya M, Akslen LA, Sleire L, Enger P, Reed RK, Oyan AM, Stuhr LEB. 2012. Expresión génica en células tumorales y estroma en tumores DsRed 4T1 en ratones que expresan EGFP con y sin oxigenación potenciada. Cáncer BMC. 12:21. doi:10.1186/1471-2407-12-21 PDF