La ingeniería genética (página 2)

Se utilizan con frecuencia dos tipos de vectores de clonación: plásmidos y virus. De introducirlos en las célulashospedadoras.

• Plásmidos. Son moléculas de adn circular, con un tamaño menor que el del cromosoma. Se replican con independencia del cromosoma bacteriano ya que tienen su propio origen de replicación.

En esta secuencia de dibujos se puede ver como se realiza la inserción de un gen en un plásmido

• Genomas de otros virus. El proceso es similar, se trata de insertar el gen deseado en un fragmento de adn vírico (figura d) posteriormente se ensamblarán las distintas partes del virus (figura e). Así quedará el virus completo(figura f).en el siguiente paso se insertará este adn por el proceso de la transducción.

• otros genes denominados marcadores, que sirven para identificar las células que contienen el vector de clonación. Se suelen utilizar como marcadores, genes de resistencia a antibióticos y genes de bioluminiscencia.

• Genes de resistencia a antibióticos. Sirven para identificar bacterias que contienen el vector de clonación, porque estas bacterias serán resistentes al antibiótico del gen marcador.

• Genes de luminiscencia. En este caso, la célula que contenga el gen que se quiere clonar, tendrá la propiedad de emitir luz, ya que el marcador que se le incorpora determina que se exprese esa característica. Este sistema se emplea cuando la célula hospedadora es una célula eucariota.

Métodos de introducción del vector

• El siguiente paso será introducir el vector de clonación que contiene el gen que se quiere clonar en la célula hospedadora, para que ésta, al multiplicarse, origine un clon celular que lleve el gen concreto.

Existen varios métodos que dependerán del tipo de célula fundamentalmente.

En bacterias (células procariotas), mediante estos procesos:

• Transformación. Ocurre espontáneamente en ciertos tipos de bacterias y se consigue artificialmente sometiendo a la célula bacteriana a tratamientos físicos y químicos.

La célula capta moléculas de adn que se encuentran en el medio externo, las introduce en su interior y las incorpora a su genoma.

• Transducción. Este método consiste en introducir el adn en la célula hospedadora mediante un virus, utilizando como vector de clonación el genoma del virus.

En la siguiente figura puede verse el proceso en tres etapas. El número 1 corresponde al virus aproximándose a una bacteria. Se puede observar como lleva un genoma ya con el gen que interesa clonar. El siguiente momento 2, corresponde al contacto entre el virus y la pared bacteriana, en cuya zona de contacto se produce un poro por donde como vemos en la etapa 3, el virus inyecta su adn al interior de la célula bacteriana.

Clonado del ADN

Una vez que se ha conseguido la población de bacterias transformadas, (recuerda que llevan además del gen de interés un gen por ejemplo de resistencia a un antibiótico por ejemplo un gen de resistencia a la ampicilina), por lo que las bacterias que se consideran transformadas, serán aquellas que sobrevivan.

El siguiente paso es poner a las bacterias en un medio de cultivo apropiado para que se multipliquen. A la vez que se reproducen las bacterias lo hace también el plásmido con el gen que interesa, el resultado es que se obtiene un clon de células que llevan todas ese gen de interés. Se pueden formar por tanto diferentes clones con genes de interés para el hombre. Este conjunto de clones se denomina biblioteca genómica.

Reacción en cadena de polimerasa (PCR)

Es una técnica que permite duplicar un número ilimitado de veces un fragmento de adn en un tubo de ensayo. Mediante esta técnica pueden generarse millones de moléculas idénticas, a partir de una molécula de adn. Esto se puede conseguir en unas horas.

La reacción es muy sencilla, necesita cantidades de adn muy pequeñas y sólo se precisa un tubo de ensayo, algunos reactivos, una fuente de calor y unas pequeñas cadena de nucleótidos que actúan como cebadores.

La reacción es un proceso cíclico:

• La molécula de adn que va a copiarse se calienta para que se desnaturalice y se separe las dos hebras.

• Cada una de las hebras es copiada por la adn-polimerasa. (se utiliza la adn-polimerasa de una bacteria que vive en aguas termales, thermus aquaticus, así la enzima puede trabajar a altas temperaturas).

• Las cadenas recién formadas son separadas de nuevo por el calor y comienza otro nuevo ciclo de copias. Estos ciclos se repiten hasta que se obtiene el número de copias deseado.

CURIOSIDADES

La potencialidad de esta técnica es impresionante, a partir de una sola molécula de adn, la pcr puede generar 100000 millones de moléculas idénticas en una tarde.El adn puede proceder de una muestra de tejido de un hospital, de una gota de sangre o semen en la escena de un delito, o de un cerebro momificado.

APLICACIONES DE LA PCR

• Secuenciación

Una de las razones más comunes para el uso de la pcr es la formación de suficiente cantidad de adn molde para su secuenciación. Es mucho más sencillo y rápido que la clonación en células.

• Estudios evolutivos

Mediante la pcr se pueden amplificar genes de organismos ya extinguidos, como del mamut, o restos antiguos humanos. Se pueden comparar estos genes con los genes semejantes de organismos actuales y poder reconstruir árboles filogenéticos. El pcr también se ha utilizado para conseguir el mapa del genoma humano.

Huellas dactilares del ADN

La determinación de las huellas dactilares genéticas constituye una de las aplicaciones más interesantes de la pcr. Mediante esta técnica es posible comparar muestras diferentes de adn para comprobar si pertenecen al mismo individuo o no, o si existe parentesco entre ellas. Esta técnica se aplica actualmente en medicina forense e investigaciones policiales, con el fin de identificar indiividuos a partir de muestras biológicas, como sangre, semen, piel o cabellos. También se utiliza en las pruebas de paternidad.

La transgénesis

La transgénesis se puede definir como la introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares. Generalmente, en animales, el ADN extraño, llamado transgen, se introduce en zigotos, y los embriones que hayan integrado el ADN extraño en su genoma, previamente a la primera división , producirán un organismo transgénico; de modo que el transgén pasará a las siguientes generaciones a través de la linea germinal (gametos).

Entre las aplicaciones de los animales transgénicos se pueden destacar:

• La posibilidad de estudiar a nivel molecular el desarrollo embrionario y su regulación.

• Manipular de forma específica la expresión génica in vivo.

• Estudiar la función de genes específicos.

• Poder utilizar a mamíferos como biorreactores para la producción de proteinas humanas.

• La corrección de errores innatos de metabolismo mediante terapia génica.

La transgénesis puede efectuarse siguiendo dos estrategias distintas:

• TRANSGÉNESIS POR MICROINYECCIÓN DE ZIGOTOS

Desde que en 1982 se obtuviera un ratón transgénico, la producción de animales transgénicas es cada vez más cotidiana, existiendo ya animales transgénicos de las siguientes especies: ratón, rata, conejo, cerdo, vaca, cabra y oveja. La técnica se realiza, fundamentalmente por microinyección y se realiza de la siguiente forma:

• En la primera fase, se aislan un número grande de óvulos fertilizados. Se consigue sometiendo a las hembras a un tratamiento hormonal para provocar una superovulación. La fertilización puede hacerse in vitro o in vivo.

• En la segunda fase, los zigotos obtenidos se manipulan uno a uno y con una micropipeta a modo de aguja, se introduce una solución que contiene ADN.

• En la tercera fase, estos óvulos son reimplantados en hembras que actuarán como nodrizas permitiendo la gestación hasta término.

Por último, tras el destete de los recién nacidos, éstos se chequean, para ver si ha ocurrido la incorporación del transgén.

• TRANSGÉNESIS POR MANIPULACIÓN DE CÉLULAS EMBRIONARIAS.

Una estrategia más poderosa para la transgénesis implica la introducción de ADN extraño en células embrionarias totipotentes(células ES) o células embrionarias madres (células EM). Estas células se toman del interior de la blástula en desarrollo y se pasan a un medio donde se tratan con distintos productos con lo que se conseguirá que las células no se diferencien, y se mantiene su estado embrionario.

El ADN extraño se introduce en las células ES mediante diversas técnicas,posteriormente las células transfectadas son reintroducidas en una blástula y ésta reimplantada en una hembra.

Con esta técnica los neonatos son quimeras ; pero mediante el cruce de éstas se consiguen animales transgénicos con aquellas quimeras que hayan incorporado el transgén en su linea germinal

Plantas transgénicas

En un sentido amplio, podría decirse que la Mejora de Plantas se remonta a los tiempos más antiguos mediante la aplicación intuitiva de procesos de selección.

Los orígenes de la Genética están íntimamente relacionados con la investigación de los hibridistas experimentales de plantas. A partir del redescubrimiento de las leyes de Mendel, la aplicación de los conocimientos genéticos impulsó el desarrollo de la Mejora.

La Mejora Genética de Plantas tiene como fin último obtener los genotipos que produzcan los fenotipos que mejor se adapten a las necesidades del hombre en unas circunstancias determinadas. Aspectos parciales de ese objetivo final son:

Aumentar el rendimiento:

• Mejora de productividad, aumentando la capacidad productiva potencial de los individuos.

• Mejora de resistencia, obteniendo genotipos resistentes a plagas, enfermedades y condiciones ambientales adversas.

• Mejora de características agronómicas, obteniendo nuevos genotipos que se adaptan mejor a las exigencias y aplicación de la mecanización de la agricultura.

Aumentar la calidad:

• Mejora de calidad, atendiendo, por ejemplo, al valor nutritivo de los productos vegetales obtenidos.

• Extender el área de explotación, adaptando las variedades de las especies ya cultivadas a nuevas zonas geográficas con características climáticas o edafológicas extremas.

• Domesticar nuevas especies, transformando a especies silvestres en cultivadas con utilidad y rentabilidad para el hombre.

Los métodos convencionales de la Mejora han sido los cruzamientos y la selección complementados en ocasiones con técnicas citogenéticas y de mutagénesis artificial. Sin embargo, mediada la década de los ochenta se inició la aplicación de la ingeniería genética molecular en la Mejora mediante la utilización de plantas transgénicas.

La ingeniería genética molecular ha sido considerada como una poderosa herramienta adicional para la agricultura, ya que en 1983 se demostró por primera vez que era posible transferir un gen extraño al cromosoma de las células vegetales de plantas intactas, siendo así plantas transgénicas, por que se les introdujo un nuevo gen que constituye parte de su genoma. Este nuevo gen les confiere una característica que antes no poseían, la que puede ser transmitida a las generaciones siguientes.

Esta técnica se ha refinado y constantemente se perfecciona, para permitir trabajar en distintos grupos y lograr una transformación más estable. Es posible hoy introducir en una planta genes provenientes no sólo de otras plantas, sino de cualquier otro organismo, virus, bacteria, animal o levadura.

Transformación vegetal

Una técnica para la transformación de una planta debe permitir la "creación" de organismos que incorporen y expresen una secuencia extraña de ADN dentro de su genoma. Más específicamente, el sistema de transformación deberá permitir:

• Introducción de la(s) secuencia(s) e integración estable al genoma.

• Selección eficiente de las células transformadas.

• Regeneración completa de plantas que expresen los genes deseados.

Actualmente se utilizan métodos de transformación con un sistema de introducción de ADN por vectores biológicos, principalmente Agrobacterium tumefaciens, o directamente, por bombardeo con partículas, ya sea por microinyección, electroporación o mediada por glicol polietilénico (PEG).

Biología de agrobacterium tumefaciens

Esta bacteria, presente en el suelo, es patógena de muchas plantas a las que produce un tumor conocido como "agalla de cuello". Penetra en los tejidos vegetales causando una proliferación celular.

Durante el contacto con las células vegetales la bacteria transfiere a las células vegetales un plásmido llamado ti (inductor de tumores). Este plásmido se integra en el adn del cromosoma de la célula vegetal. Este plásmido transferido o t-adn contiene los genes oncogénicos (onc) cuya expresión provoca una mayor producción de hormonas de crecimiento, éstas son las que inducen las divisiones celulares que dan origen a la formación del tumor o agalla.

Este fenómeno natural es empleado para utilizar a la bacteria agrobacterium tumefaciens como vector de los genes que se desean introducir en una célula vegetal, con lo que se transforma dicha célula, la cual puede regenerar, por micropropagación, una planta entera que será transgénica.

AGROBACTERIUM: UN PRECURSOR NATURAL DE LOS BIOTECNÓLOGOS

La bacteria agrobacterium tumefaciens contiene como ya vimos en un punto anterior, un plásmido ti, que contiene los genes responsables de su virulencia, llamados genes onc.

Cuando la bacteria infecta a la planta, provocando en ella un tumor, una parte del plásmido ti, llamada t-adn, que contiene los genes onc, es transferida al núcleo de la célula vegetal y se inserta en un cromosoma de la planta.

De esta manera, la bacteria modifica la información genética de la planta, añadiéndole los genes onc. Agrobacterium se comporta , de esta forma, como un ingeniero genético natural.

Si en el plásmido ti se eliminan artificialmente los genes onc y se sustituyen por otros genes que interese clonar, se habrá obtenido un sistema muy eficaz para introducir adn interesante a la planta, al mismo tiempo que se habrá evitado la aparición de la enfermedad.

PLANTAS QUE SE ILUMINAN

En la transfección vegetal con agrobacterium se ha ensayado un marcador inusual: el gen de la enzima luciferasa, de las luciérnagas. El sustrato de esta enzima es una proteina llamada luciferina, que con atp y oxígeno desprende luz.

Plásmidos ti con este marcador, se transfirieron a células de tabaco, con las que se formaron nuevas plantas. Las nuevas plantas obtenidas se regaron en la oscuridad con agua y luciferina disuelta. El resultado fue sorprendente: las plantas se iluminaron como si fuesen unas bombillas de poca potencia o un dibujo de un anuncio fluorescente.

• Entre las técnicas directas, se pueden citar la electroporación, microinyección, liposomas y métodos químicos.

Plantas transgénicas

Entre los principales caracteres que se han transferido a vegetales o se han ensayado en su transfección, merecen destacarse:

• Resistencia a herbicidas, a insectos y a enfermedades microbianas.

Ya se dispone de semillas de algodón, que son insensibles a herbicidas. Para la resistencia a los insectos se utilizan cepas de bacillus thuringiensis que producen una toxina (toxina – bt) dañina para las larvas de muchos insectos, de modo que no pueden desarrollarse sobre las plantas transgénicas con este gen. Respecto a los virus se ha demostrado que las plantas transgénicas con el gen de la proteina de la cápsida de un virus, son resistentes a la invasión de dicho virus.

• Incremento del rendimiento fotosintético

Para ello se transfieren los genes de la ruta fotosintética de plantas c4 que es más eficiente.

• Mejora en la calidad de los productos agrícolas

Tal es el caso de la colza y la soja transgénicas que producen aceites modificados, que no contienen los caracteres indeseables de las plantas comunes.

• Síntesis de productos de interés comercial

Existen ya plantas transgénicas que producen anticuerpos animales, interferón, e incluso elementos de un poliéster destinado a la fabricación de plásticos biodegradables

• Asimilación de nitrógeno atmosférico

Aunque no hay resultados, se ensaya la transfección del gen nif responsable de la nitrogenasa, existente en microorganismos fijadores de nitrógeno, y que permitiría a las plantas que hospedasen dicho gen, crecer sin necesidad de nitratos o abonos nitrogenados, aumentando la síntesis de proteinas de modo espectacular.

LA TRANSGÉNESIS EN ANIMALES

La transgénesis se puede definir como la introducción de adn extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares. Generalmente, en animales, el adn extraño, llamado transgen, se introduce en zigotos, y los embriones que hayan integrado el adn extraño en su genoma, previamente a la primera división , producirán un organismo transgénico; de modo que el transgén pasará a las siguientes generaciones a través de la linea germinal (gametos).

Entre las aplicaciones de los animales transgénicos se pueden destacar:

• La posibilidad de estudiar a nivel molecular el desarrollo embrionario y su regulación.

• Manipular de forma específica la expresión génica in vivo.

• Estudiar la función de genes específicos.

• Poder utilizar a mamíferos como biorreactores para la producción de proteinas humanas.

• La corrección de errores innatos de metabolismo mediante terapia génica.

La transgénesis puede efectuarse siguiendo dos estrategias distintas:

• TRANSGÉNESIS POR MICROINYECCIÓN DE ZIGOTOS

Desde que en 1982 se obtuviera un ratón transgénico, la producción de animales transgénicas es cada vez más cotidiana, existiendo ya animales transgénicos de las siguientes especies: ratón, rata, conejo, cerdo, vaca, cabra y oveja.

La técnica se realiza, fundamentalmente por microinyección y se realiza de la siguiente forma:

• En la primera fase, se aislan un número grande de óvulos fertilizados. Se consigue sometiendo a las hembras a un tratamiento hormonal para provocar una superovulación.

• La fertilización puede hacerse in vitro o in vivo.

• En la segunda fase, los zigotos obtenidos se manipulan uno a uno y con una micropipeta a modo de aguja, se introduce una solución que contiene adn.

• En la tercera fase, estos óvulos son reimplantados en hembras que actuarán como nodrizas permitiendo la gestación hasta término.

Por último, tras el destete de los recién nacidos, éstos se chequean, para ver si ha ocurrido la incorporación del transgén.

• TRANSGÉNESIS POR MANIPULACIÓN DE CÉLULAS EMBRIONARIAS.

Una estrategia más poderosa para la transgénesis implica la introducción de adn extraño en células embrionarias totipotentes (células es) o células embrionarias madres (células em).

Estas células se toman del interior de la blástula en desarrollo y se pasan a un medio donde se tratan con distintos productos con lo que se conseguirá que las células no se diferencien, y se mantiene su estado embrionario.

El adn extraño se introduce en las células es mediante diversas técnicas,posteriormente las células transfectadas son reintroducidas en una blástula y ésta reimplantada en una hembra.

Con esta técnica los neonatos son quimeras ; pero mediante el cruce de éstas se consiguen animales transgénicos con aquellas quimeras que hayan incorporado el transgén en su linea germinal.

Cuando la integración del transgén ocurre después de la primera división celular, el animal es quimérico, lo que quiere decir que las células de su cuerpo tienen diferentes características, según tengan o no el transgén, así en la "ovecabra" quimera entre oveja y cabra, las células de su piel, unas producían lana y otras pelo

Clonación de animales

El principio de la clonación está en la obtención de organismos idénticos genéticamente, y por tanto morfológic y fisiológicamente, como lo son dos gemelos univitelinos. Esto ha sido el sueño de muchos ganaderos, que han deseado que todo su ganado tuviera las cualidades de algún ejemplar especialmente bueno.

Se pueden utilizar dos métodos para conseguir clones de animales:

• Por disgregación de células embrionarias. Se basa en el mismo principio por el que nacen gemelos de forma natural. Se pueden separar las células de un embrión en diferentes estados de desarrollo, desde el estado de 2 células hasta el estado de mórula. Cada célula separada puede funcionar como un zigoto que puede desarrollarse para dar un individuo completo.

• Por transferencia nuclear. Se toman células embrionarias en fase de mórula o blástula, obtenidas por disgregación, se cultivan in vitro,y después se transfieren a ovocitos a los que se les ha quitado el núcleo.

Se provoca la fusión de las dos células animales de modo que el núcleo de la célula embrionaria quede en el interior del ovocito, pudiendo éste empezar a funcionar como un zigoto.

Así se han obtenido 470 embriones clónicos de terneros de un único embrión donante de células.

Cuanto más diferenciadas estén las células donantes de material genético, más difícil es conseguir la reprogramación de dicho material genético para que pueda iniciar la diferenciación de la célula receptora. Actualmente es posible obtener clones de células totalmente diferenciadas de un animal adulto que actúan como donantes de su material genético, como ocurrió en el caso de la famosa oveja dolly.

OBTENCIÓN DE UNA CERDA TRANSGÉNICA

Un gen híbrido que contiene el gen humano que codifica la síntesis de una proteína de interés biológico junto con el promotor del gen que codifica una proteína de la leche de rata, se introducen por microinyección en un óvulo de cerda fecundado.

El desarrollo de ese óvulo da lugar a un animal transgénico que tiene en todas sus células el gen híbrido. Debido al promotor elegido, ese gen solamente se expresa en la glándula mamaria de la cerda induciendo la producción de la proteina humana en la .

El ganado transgénico que se emplea para producir proteinas terapeúticas, debe contener en el adn extraño de sus células, además del gen codificante de la proteina, una secuencia o promotor que haga que se exprese dicho gen en unas determinadas células solamente.

Por ejemplo, si se quiere que la proteina se produzca junto con la leche, el transgén se fusiona con una secuencia reguladora de una proteina de la leche, con lo que la proteina sólo se formará en las células de glándulas mamarias.

Esto es lo que se hizo con la oveja tracy en 1992, la primera oveja que produjo una proteina humana, la alfa-antitripsina bajo la dirección del promotor ovino de la beta-lactoglobulina. Dicha proteina se produce en una cantidad de 35 g/l, la cual se emplea para curar el edema pulmonar.

Lo mismo se ha hecho para la famosa cerda genie, que fabrica en su leche la proteina c humana que controla la coagulación sanguinea y es necesaria para los hemofílicos.

Lo que hoy se conoce como ingeniería genética o ADN recombinante, fue parte del hallazgo en 1970 hecho por Hamilton Smith y Daniel Nathans de la enzima (restrictasa) capaz de reconocer y cortar el ADN en secuencias específicas, hallazgo que les valió el Premio Nobel de fisiología y medicina, compartido con Werner Arber, en 1978.

Este descubrimiento (consecuencia de un hallazgo accidental – Serendipia) dio origen al desarrollo de lo que hoy se conoce como Ingeniería genética o Biotecnología, que permite clonar cualquier gen en un virus, microorganismo, célula de planta o de animal.

Hoy en día, la moderna biotecnología es frecuentemente asociada con el uso de microorganismos alterados genéticamente como el E. coli o levaduras para producir sustancias como la insulina o algunos antibióticos.

El lanzamiento comercial de insulina recombinada para humanos en 1982 marcó un hito en la evolución de la biotecnología moderna.

La biotecnología encuentra sus raíces en la biología molecular, un campo de estudios que evoluciona rápidamente en los años 1970, dando origen a la primera compañía de biotecnología, Genentech, en 1976.

Biotecnología

la biotecnología podría definirse como "toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos".

El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología del Convenio sobre la Diversidad Biológica define la biotecnología moderna como la aplicación de:

• Técnicas in vitro de ácido nucleico, incluidos el ácido desoxirribonucleico (ADN) recombinante y la inyección directa de ácido nucleico en células u orgánulos, o

• La fusión de células más allá de la familia taxonómica que superan las barreras fisiológicas naturales de la reproducción o de la recombinación y que no son técnicas utilizadas en la reproducción y selección tradicional.

APLICACIONES

La biotecnología tiene aplicaciones en importantes áreas industriales como lo son la atención de la salud, con el desarrollo de nuevos enfoques para el tratamiento de enfermedades; la agricultura con el desarrollo de cultivos y alimentos mejorados; usos no alimentarios de los cultivos, como por ejemplo plásticos biodegradables, aceites vegetales y biocombustibles; y cuidado medioambiental a través de la biorremediación, como el reciclaje, el tratamiento de residuos y la limpieza de sitios contaminados por actividades industriales. Además se aplica en la genética para modificar ciertos organismos.

Las aplicaciones de la biotecnología son numerosas y se suelen clasificar como:

• Biotecnología roja: se aplica a la utilización de biotecnología en procesos médicos. Algunos ejemplos son el diseño de organismos para producir antibióticos, el desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos, los diagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la manipulación génica.

• Biotecnología blanca: también conocida como biotecnología industrial, es aquella aplicada a procesos industriales. Un ejemplo de ello es el diseño de microorganismos para producir un producto químico o el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea para producir productos químicos valiosos o destruir contaminantes químicos peligrosos (por ejemplo utilizando oxidorreductasas). También se aplica a los usos de la biotecnología en la industria textil, en la creación de nuevos materiales, como plásticos biodegradables y en la producción de biocombustibles. Su principal objetivo es la creación de productos fácilmente degradables, que consuman menos energía y generen menos desechos durante su producción. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales. Biotecnología verde: es la biotecnología aplicada a procesos agrícolas. Un ejemplo de ello es el diseño de plantas transgénicas capaces de crecer en condiciones ambientales desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la biotecnología verde produzca soluciones más amigables con el medio ambiente que los métodos tradicionales de la agricultura industrial. Un ejemplo de esto es la ingeniería genética en plantas para expresar plaguicidas, con lo que se elimina la necesidad de la aplicación externa de los mismos, como es el caso del maíz Bt. Si los productos de la biotecnología verde como éste son más respetuosos con el medio ambiente o no, es un tema de debate.

• Biotecnología azul: también llamada biotecnología marina, es un término utilizado para describir las aplicaciones de la biotecnología en ambientes marinos y acuáticos. Aún en una fase temprana de desarrollo sus aplicaciones son prometedoras para la acuicultura, cuidados sanitarios, cosmética y productos alimentarios.

Biorremediación y biodegradación

La biorremediación es el proceso por el cual son utilizados microorganismos para limpiar un sitio contaminado. Los procesos biológicos desempeñan un papel importante en la eliminación de contaminantes y la biotecnología aprovecha la versatilidad catabólica de los microorganismos para degradar y convertir dichos compuestos. En el ámbito de la microbiología ambiental, los estudios basados en el genoma abren nuevos campos de investigación in silico ampliando el panorama de las redes metabólicas y su regulación, así como pistas sobre las vías moleculares de los procesos de degradación y las estrategias de adaptación a las cambiantes condiciones ambientales. Los enfoques de genómica funcional y metagenómica aumentan la comprensión de las distintas vías de regulación y de las redes de flujo del carbono en ambientes no habituales y para compuestos particulares, que sin duda aceleraran el desarrollo de tecnologías de biorremediación y los procesos de biotransformación.

Bioinformática

La bioinformática es un campo interdisciplinario que se ocupa de los problemas biológicos usando técnicas computacionales y hace que sea posible la rápida organización y análisis de los datos biológicos. Este campo también puede ser denominado biología computacional, y puede definirse como, "la conceptualización de la biología en término de moléculas y, a continuación, la aplicación de técnicas informáticas para comprender y organizar la información asociada a estas moléculas, a gran escala." La bioinformática desempeña un papel clave en diversas áreas, tales como la genómica funcional, la genómica estructural y la proteómica, y forma un componente clave en el sector de la biotecnología y la farmacéutica.

Bioingeniería

La ingeniería biológica o bioingeniería es una rama de ingeniería que se centra en la biotecnología y en las ciencias biológicas. Incluye diferentes disciplinas, como la ingeniería bioquímica, la ingeniería biomédica, la ingeniería de procesos biológicos, la ingeniería de biosistemas, etc.

Se trata de un enfoque integrado de los fundamentos de las ciencias biológicas y los principios tradicionales de la ingeniería.

Los bioingenieros con frecuencia trabajan escalando procesos biológicos de laboratorio a escalas de producción industrial. Por otra parte, a menudo atienden problemas de gestión, económicos y jurídicos.

Debido a que las patentes y los sistemas de regulación (por ejemplo, la FDA en EE.UU.) son cuestiones de vital importancia para las empresas de biotecnología, los bioingenieros a menudo deben tener los conocimientos relacionados con estos temas.

Ventajas y riesgos

Ventajas

Entre las principales ventajas de la biotecnología se tienen:

• Rendimiento superior. Mediante los OGM el rendimiento de los cultivos aumenta, dando más alimento por menos recursos, disminuyendo las cosechas perdidas por enfermedad o plagas así como por factores ambientales.

• Reducción de pesticidas. Cada vez que un OGM es modificado para resistir una determinada plaga se está contribuyendo a reducir el uso de los plaguicidas asociados a la misma que suelen ser causantes de grandes daños ambientales y a la salud.

• Mejora en la nutrición. Se puede llegar a introducir vitaminas y proteínas adicionales en alimentos así como reducir los alergenos y toxinas naturales. También se puede intentar cultivar en condiciones extremas lo que auxiliaría a los países que tienen menos disposición de alimentos.

• Mejora en el desarrollo de nuevos materiales.

La aplicación de la biotecnología presenta riesgos que pueden clasificarse en dos categorías diferentes: los efectos en la salud humana y de los animales y las consecuencias ambientales. Además, existen riesgos de un uso éticamente cuestionable de la biotecnología moderna.

RIESGOS PARA EL MEDIO AMBIENTE

Entre los riesgos para el medio ambiente cabe señalar la posibilidad de polinización cruzada, por medio de la cual el polen de los cultivos genéticamente modificados (GM) se difunde a cultivos no GM en campos cercanos, por lo que pueden dispersarse ciertas características como resistencia a los herbicidas de plantas GM a aquellas que no son GM. Esto que podría dar lugar, por ejemplo, al desarrollo de maleza más agresiva o de parientes silvestres con mayor resistencia a las enfermedades o a los estreses abióticos, trastornando el equilibrio del ecosistema. Otros riesgos ecológicos surgen del gran uso de cultivos modificados genéticamente con genes que producen toxinas insecticidas, como el gen del Bacillus thuringiensis. Esto puede hacer que se desarrolle una resistencia al gen en poblaciones de insectos expuestas a cultivos GM. También puede haber riesgo para especies que no son el objetivo, como aves y mariposas, por plantas con genes insecticidas.

RIESGOS PARA LA SALUD

Existen riesgos de transferir toxinas de una forma de vida a otra, de crear nuevas toxinas o de transferir compuestos alergénicos de una especie a otra, lo que podría dar lugar a reacciones alérgicas imprevistas.

Existe el riesgo de que bacterias y virus modificados escapen de los laboratorios de alta seguridad e infecten a la población humana o animal.

Los agentes biológicos se clasifican, en función del riesgo de infección, en cuatro grupos:

• Agente biológico del grupo 1: aquél que resulta poco probable que cause una enfermedad en el hombre.

• Agente biológico del grupo 2: aquél que puede causar una enfermedad en el hombre y puede suponer un peligro para los trabajadores, siendo poco probable que se propague a la colectividad y existiendo generalmente profilaxis o tratamiento eficaz.

• Agente biológico del grupo 3: aquél que puede causar una enfermedad grave en el hombre y presenta un serio peligro para los trabajadores, con riesgo de que se propague a la colectividad y existiendo generalmente una profilaxis o tratamiento eficaz.

• Agente biológico del grupo 4: aquél que causando una enfermedad grave en el hombre supone un serio peligro para los trabajadores, con muchas probabilidades de que se propague a la colectividad y sin que exista generalmente una profilaxis o un tratamiento eficaz.

Aplicación clínica de la terapia génica en odontología

Uno de los campos de la odontología que puede beneficiarse directamente de este tipo de terapias lo constituye las alteraciones craneofaciales y dentales. El 5% de todos los nacidos en Estados unidos cada año tiene algún defecto congénito y por lo menos 1/800 presenta una malformación que afecta la cabeza, la cara o el cuello. De las cerca de 5.500 patologías heredadas que presentan malformaciones, cerca de 700 involucran la región craneofacial y alrededor de 300 se manifiestan con labio y/o paladar fisurado[x].

El odontopediatra y el ortodoncista frecuentemente deben prestar atención a los pacientes que padecen este tipo de patologías. Algunas cráneosinostosis como los síndromes de Appert, Pfeiffer y  Crouzon, que afectan el crecimiento craneofacial normal, debido al cierre prematuro de las suturas,    son producidos por una mutación en el gen FGFRII (receptor tipo II del factor de crecimiento fibroblástico)[xi].

La investigación actual en biología de las suturas, está dirigida a conocer las funciones de los genes que se expresan en este tejido, los mecanismos de señalización celular, las actividades de los factores de transcripción específicos y las interacciones celulares. Cuando se conozcan estos procesos será posible prevenir o intervenir tempranamente mediante terapia génica perinatal las patologías relacionadas con cráneosinostosis o con otros síndromes que afectan el crecimiento craneofacial. Al respecto Kyrkanydes y Millar (2002)[xii], vienen desarrollando una modalidad de terapia génica para la transferencia de genes terapéuticos a animales y pacientes utilizando un virus de pseudotipo de inmunodeficencia felina (VSV-G) y han demostrado niveles de expresión génica estable en varios órganos y estructuras examinadas.Otra área de la odontología que podría beneficiarse con la terapia génica está relacionada con las enfermedades que afectan las glándulas salivares. Sin embargo la mayor limitación para el uso de  la terapia génica en este campo, radica  en la elección del vector utilizado para transferir los genes, ya que actualmente los vectores disponibles inducen reacciones inmunes y otros efectos indeseables que impiden establecer con seguridad este tipo de terapias. [xiii]La terapia génica puede ser utilizada también para el tratamiento del dolor crónico severo.

Numerosos estudios han demostrado que los genes pueden ser transferidos a células del sistema nervioso central de los modelos animales. Por ejemplo la transferencia del gen b-endorfina produce analgesia efectiva en ratas. Este procedimiento podría ser de gran utilidad en un futuro para el tratamiento de la "neuralgia del trigémino".La matriz extracelular en el hueso alveolar, periodonto y diente se relaciona con la localización de los morfógenos en la reparación ósea. En este proceso, los tejidos como el colágeno, son importantes en grandes defectos de hueso y mandíbula; dándose procesos de osteo-conducción.

La literatura reporta que en defectos periodontales se pueden utilizar sistemas de osteoinducción (membranas periodontales) y al tiempo osteoconducción (terapia génica). La combinación de estas dos terapias en la utilización de las  BMPs, permitiría obtener mejores resultados.En un estudio reciente, se tomaron fibroblastos que codificaban para BMP7, y se  transplantaron en ratas que tenían grandes defectos óseos a nivel mandibular. Las lesiones tratadas con  BMP7 demostraron condrogénesis, osteogenesis, y cementogénesis  en la reparación de defectos óseos periodontales.BMP 4 recombinante codifica para heparan sulfato, heparina, colágeno tipo I y IV de la matriz extracelular. Los componentes de la matriz extracelular activan morfógenos para permitir funciones proteolíticas. Las BMP4 en estado soluble, al entrar a ser componente de la matriz extracelular, se convierte en un estado sólido, en el cual puede iniciar sus funciones. La interacción entre la señal inducida por morfógenos y la respuesta celular es modulada por la matriz extracelular.Las BMPs 2, 4, 7 pueden iniciar la cascada de osteogénesis y por esta razón tienen posibilidades terapéuticas en defectos craneofaciales, en trauma de cabeza y cuello y  en defectos causados por neoplasias. Las BMPs 2 y 4, logran corregir defectos de 100 ug/g, mientras que las BMPs 7 corrigen defectos de 1.000 ug/g.[xiv]La utilización de BMP junto con  implantes metálicos pueden estimular el crecimiento óseo alrededor de los implantes, para lograr una integración optima del implante.[xv] Sin embargo se requieren altas concentraciones para inducir regeneración tisular con BMP. La producción de morfógenos en la transducción de tejidos, aplicados directamente a la proteína podría ser más efectiva.

Algunos estudios realizados en células mesenquimales de roedores y de humanos, utilizan el gen BMP 2 ó BMP 7 para formación de hueso nuevo in vivo e in vitro. Los ligandos también han sido incorporados dentro de la superficie de los vectores virales para permitir procesos celulares específicos, los cuales son menos riesgosos que otros métodos (inyección directa). [xvi]La accesibilidad y observación visual de la cavidad oral, hace que estos tejidos sean más favorables  para la transferencia de genes que los órganos y tejidos viscerales. [xvii], [xviii]. Métodos como la electroporación o sonoporación han sido usados para transferir el gen Gdf11 (que codifica para la proteína BMP11) en la pulpa dental amputada, y estimula la formación y reparación de dentina. En estos métodos se aíslan las células madres de la pulpa dental con genes que codifican para las BMP, y luego se implantan las células dentro de la pulpa injuriada. Este procedimiento ex vivo para transferir genes, que  podrían estimular la reparación y formación de dentina más rápidamente.Sin embargo uno de los mayores campos de acción de la terapia génica en odontología, lo constituyen las técnicas usadas para la transferencia de genes en el tratamiento primario, o como terapia adjunta en los pacientes que presentan cáncer de cabeza y cuello.

Podhajcer reportó la inmunización de ratones contra distintos tipos de cáncer (colon, mama y sarcoma) mediante terapia génica. Este experimento abre un nuevo camino hacia una vacuna contra el cáncer.[xix]Uno de los tratamientos para el cáncer utilizados hoy en día, consiste en marcar genéticamente a las células tumorales de un cáncer para que el organismo las reconozca como extrañas y pueda luchar contra ellas, estimulando la respuesta inmune. Otras estrategias que se siguen en la actualidad contra el cáncer son: inactivar oncogenes, introducir genes supresores de tumores, introducir genes suicidas, e introducir genes que aumenten la  sensibilidad a los fármacos[xx].En un estudio reciente, Wang  y col (2001)[xxi], sugieren  que la terapia génica con IL-12 combinada con la inmunización de la mucosa oral, puede inducir inmunidad sistémica antitumoral. Por otra parte Fukui y col (2001)[xxii], proponen que la sensibilización de  las células tumorales con "ganciclovir", utilizando como vector el virus asociado al adenovirus, podría ser utilizado con éxito en la terapia génica para el carcinoma oral escamo-celular.

Estos procedimientos  permiten cambiar el gen defectuoso por un gen normal en etapas tempranas del desarrollo embrionario, o en otras etapas de la vida del individuo, impidiendo en esta forma que se desarrolle la enfermedad. Sin embargo este tipo de tratamientos  al igual que todos los tratamientos generados  a partir del proyecto genoma humano generan una serie de implicaciones de tipo ético y legal  que no son objeto de estudio en esta revisión.

El siguiente cuadro resume la metodología utilizada en la terapia génica:

La siguiente tabla resume las posibilidades terapéuticas futuras de la terapia génica, la bioingeniería  y el uso de las stem cell en odontología:

Autor:

José Laura