Métodos y aplicaciones de la Biología Molecular en Biomedicina

RESUMEN

Se ofrecen elementos conceptuales sobre algunos de los métodos de biología molecular de más amplio uso en biomedicina. Las principales aplicaciones de estas técnicas son en el diagnóstico de enfermedades hereditarias, infecciosas y neoplásicas así como en estudios de regulación de la expresión génica y en la terapia con proteínas recombinantes. El Proyecto del Genoma Humano tomó como base para su ejecución muchas de estas técnicas, al tiempo que ha permitido el desarrollo de nuevas metodologías y el perfeccionamiento de las ya existentes. Con la aplicación de las técnicas de biología molecular en medicina, se ha abierto también la posibilidad de llevar a cabo la terapia génica en humanos.

Palabras clave: ácido desoxirribonucleico (ADN), enzimas de restricción, reacción en cadena de la polimerasa, hibridación, secuenciación del ADN, genoma, terapia génica

INTRODUCCIÓN

La estructura que conocemos hoy como ADN (ácido desoxirribonucleico) fue descrita por Watson y Crick en el año 1953. Tras este hecho confluyeron ideas y nuevos enfoques experimentales que condujeron a lo que ha sido denominado como dogma central de la genética molecular, que establece que la información genética fluye del ADN al ARN (ácido ribonucleico) y de este a la proteína, y por tanto es el ADN el material que almacena la información genética en unidades de información hereditaria denominadas genes. Aún cuando este enunciado es cierto para la mayoría de los seres vivientes; se ha comprobado que en determinados virus la información genética se almacena en forma de ARN y esta puede ser transferida del ARN al ADN a través de un proceso de transcripción inversa (Moreno, 1996).

Al igual que en las proteínas, el ADN y el ARN están compuestos por repeticiones de pequeños bloques, pero con la diferencia de que en lugar de aminoácidos, se trata de moléculas más complejas conocidas como nucleótidos. Los nucleótidos, en el ARN, están dispuestos en una sola cadena resultante de la copia del ADN en forma complementaria; en cambio, en el ADN, los nucleótidos se sitúan formando dos cadenas orientadas en direcciones opuestas y enrolladas alrededor de un eje imaginario formando una doble hélice (Moreno, 1996).

El genoma es la información genética con que cuentan los seres vivos, la cual está almacenada en los genes y estos a su vez en los cromosomas. Los cromosomas están compuestos por ADN y un grupo de proteínas llamadas histonas. El genoma humano contiene cerca de 3 billones de nucleótidos (pares de bases, pb) (National Human Genome Research Institute, 2004) presentes en 46 cromosomas (22 autosomas y 2 cromosomas sexuales).

En las últimas décadas la tecnología de recombinación del ADN también conocida como ingeniería genética, o más acertadamente recombinación genética in vitro, ha revolucionado la Biología. El campo de la salud es, uno de los más beneficiados con el desarrollo de esta tecnología. Las investigaciones que se realizan en esta área están enfocadas a un diagnóstico oportuno de enfermedades, así como su posible tratamiento a través de la terapia con moléculas recombinantes e introducción de genes. Además, la manipulación de genes proporciona una herramienta fundamental para la eliminación futura de enfermedades mortales para el hombre (Cerezo & Madrid, 1995). Por estas razones resulta útil que el médico de asistencia esté familiarizado con conceptos básicos sobre biología molecular, su aplicación en la investigación biomédica, y en especial con sus posibles aplicaciones clínicas, conceptos estos que aparecen cada vez con mayor frecuencia en toda la literatura biomédica, tanto básica como clínica.

Principios de clonación molecular

La denominación "ADN recombinante" se refiere a combinaciones muevas de ADN creadas entre secuencias o fragmentos de esta molécula (los cuales son de interés por alguna razón) y moléculas de ADN bacteriano (o de otra clase) capaces de duplicarse indefinidamente en el laboratorio (Freifelder, 1983). En este proceso, primero se obtiene un fragmento del ADN de interés denominado inserto, el cual se une a otra molécula de ADN (generalmente de mayor tamaño) llamado vector. Posteriormente se lleva a cabo el proceso de clonación molecular en sí, en el cual se introduce el ADN recombinante en una célula receptora y esta finalmente al multiplicarse da lugar a nuevas células con similares características a ella; obteniéndose de esta manera lo que se denomina un clon. Por consiguiente un clon no es más que un grupo grande de células, moléculas de ADN o bacterias que surge de una célula o molécula ancestral y son idénticas a esta; y clonación es el proceso que le da origen (Granner, 1992; Plata 1996).

Las células receptoras del ADN híbrido pueden ser tanto procariotas como eucariotas y el proceso de introducción del mismo se denomina transformación para las primeras y transfección para las segundas (Cerezo, 1995).

Para llevar a cabo la clonación molecular se requiere lo siguiente:

a) Una fuente adecuada de ADN: Las fuentes más importantes de ADN para clonación son el ADN genómico (cromosómico) que contiene los genes completos y lo que se conoce como ADN complementario (ADNc) que se obtiene a partir del ARN mensajero (ARNm) bajo la acción de la enzima transcriptasa reversa o transcriptasa inversa (Freifelder, 1983 & Plata, 1996). Esta enzima es capaz de sintetizar ADN a partir del ARN el cual le sirve como molde. El empleo de una u otra fuente depende de los objetivos que se persigan con el estudio a realizar.

b) Vectores de clonación (ADN recombinante): Un vector de clonación es una molécula pequeña de ADN que puede replicarse de manera autónoma en un huésped (células bacterianas o de levaduras), a partir de las cuales es posible aislarlo en forma pura para el análisis. Los vectores se utilizan para clonación porque pueden seguir su desarrollo normal a pesar de que secuencias adicionales de ADN sean incorporadas en su material genético; se autorreplican utilizando la maquinaria enzimática de la célula huésped, y en este proceso, no se mezclan con el ADN genómico de la célula (Plata, 1996).

Debido a que los vectores de clonación pueden generar un gran número de copias por célula, ya que los huéspedes bacterianos o de levaduras pueden crecer indefinidamente en el laboratorio, es posible obtener grandes cantidades de secuencias del ADN de interés. Cierto número de vectores se utiliza de modo común para este propósito, cada uno con ventajas y limitaciones y dentro de ellos tenemos:

Plásmidos: Son moléculas circulares de ADN de doble cadena que se replican de modo extracromosómico en bacterias, o menos comúnmente en levaduras (Lehninger, 1993; Ministerio de Educación, 1981). En ellos se encuentran genes que le confieren al organismo que los posee resistencia a algunos antibióticos, así como genes involucrados en la producción de toxinas y la degradación de productos naturales (Stryer, 1995).

Bacteriófagos: Son virus que infectan a las bacterias y están constituidos, según su clase, por un núcleo de ADN o ARN y una cubierta proteica; algunos presentan una cola, y son incapaces de replicarse autónomamente por lo que necesitan infectar a la célula para poder hacerlo. Dentro de los fagos más utilizados como vehículos moleculares de clonación, se encuentran el lambda (l ) y sus derivados (Cerezo, 1995; Freifelder, 1983; Granner, 1992; Moreno, 1996; Plata, 1996; Stryer, 1995).

Cósmidos: Son básicamente plásmidos que emplean la habilidad de las partículas infecciosas del bacteriófago l para "empaquetar" de manera eficiente grandes piezas lineales de ADN e introducirlas en las células bacterianas. Estos vectores se reproducen de igual manera que los plásmidos en las bacterias (Granner, 1992; Lehninger, 1993).

"Cromosomas artificiales" de levadura: Además de los vectores anteriormente mencionados, existe otro tipo que permite clonar hebras de ADN de gran tamaño y que se conocen como cromosomas artificiales de levadura (YAC, del inglés yeast artificial chromosome). Este tipo de vector es capaz de replicarse en el huésped Saccharomyces cerevisiae (levadura común usada en panadería) y tiene la estructura semejante a los cromosomas de levadura normales (Plata, 1996).

c) Enzimas que permitan la escisión o corte en sitios específicos del fragmento de ADN a clonar y su posterior fusión con el vector: Existe un grupo de enzimas con funciones diferentes que tienen gran aplicación en ingeniería genética; de ellas ya se ha mencionado a la transcriptasa inversa. Nos referiremos con más detalle ahora a las endonucleasas de restricción o enzimas de restricción y a la ADN ligasa como útiles herramientas en el proceso de clonación de genes.

Endonucleasas de restricción: Las endonucleasas son enzimas que cortan al ADN en secuencias específicas dentro de la molécula (contrario a las exonucleasas, que digieren a las moléculas de ADN por sus extremos) (Granner, 1992). Estas enzimas se encuentran en una amplia variedad de especies bacterianas y su función biológica consiste en reconocer y romper el ADN ajeno que puede penetrar en la célula (por ejemplo, ADN procedente de bacteriófagos) (Lehninger, 1993). De esta forma estas endonucleasas restringen el funcionamiento de los fagos en el interior de la bacteria, motivo por el cual originalmente se les llamó enzimas de restricción (Granner). El ADN propio, sin embargo, no es digerido porque las bacterias cuentan con un mecanismo que impide que esto ocurra. Así, al conferir la naturaleza este sistema de defensa a las bacterias, otorgó también a los científicos un arsenal de enzimas altamente específico para manipular el ADN (Granner; Lehninger; Merino & Gamba, 1996).

ADN ligasa: La ADN ligasa es una enzima que tiene la capacidad de formar enlaces fosfodiéster en una cadena de ADN rota, pudiendo unir covalentemente ADNs de diferentes orígenes para formar moléculas híbridas. Existen diversos métodos en los que se aprovecha la acción de esta enzima para la unión del fragmento a clonar con el vector; la selección de uno u otro depende de las características de los extremos de ambas moléculas de ADN (Cerezo & Madrid, 1995).

d) Métodos de transformación o transfección celular: Una vez obtenido el ADN recombinante, el próximo paso es introducirlo dentro de una célula huésped que le ofrezca la maquinaria necesaria para su autorreplicación. Como no es objetivo de este trabajo explicar en detalles cada uno de los métodos que existen para estos fines, nos limitaremos sólo a mencionar algunos de los más empleados que son: electroporación, transfección mediada por calcio-fósforo o DEAE-dextrán, empleo de polibreno, fusión de protoplastos, empleo de liposomas, microinyección directa al núcleo, uso de virus (Cerezo & Madrid, 1995; Freifelder, 1983; Plata, 1996; Lehninger, 1993; Stryer, 1995), entre otros.

e) Métodos para analizar los clones resultantes hasta la identificación del que contiene el gen de interés: Un importante paso en el proceso de clonación es la identificación de aquel clon o clones que contienen el ADN recombinante. Aún en las mejores condiciones los plásmidos se mantienen de forma estable sólo en una minoría de la población bacteriana. Para identificar estos transformantes se emplean varios métodos, los cuales también solamente serán mencionados. Así tenemos los ensayos de hibridación (Freifelder, 1983; Lehninger, 1993; Mercado & Gamba, 1997; Plata, 1996), los métodos inmunológicos (anticuerpos radiactivos, inmunoprecipitación) (Freifelder; Plata), el empleo de marcadores de selección (Freifelder ), etc.

Métodos de análisis de ácidos nucleicos.

Hibridación molecular.

La hibridación molecular es uno de los pilares de la mayor parte de las metodologías que se utilizan en el laboratorio de biología molecular. Un grupo de estas técnicas se ha diseñado para identificar determinadas secuencias en los ácidos nucleicos.

La hibridación se refiere al apareamiento específico que ocurre entre cadenas de ácidos nucleicos con secuencias complementarias, proceso que es análogo a la reacción antígeno-anticuerpo, pero con la diferencia de que en la hibridación en lugar de anticuerpos se emplean las llamadas sondas (Mercado & Gamba, 1997). Las sondas no son más que fragmentos cortos de ADN o ARN sintetizados in vitro y que se marcan con sustancias radiactivas fluorescentes o de otro tipo a fin de hacer posible su posterior detección y de esta manera la identificación de la secuencia de ADN o ARN de interés (Cerezo & Madrid, 1995; Mercado & Gamba).

A continuación se señalan diferentes procedimientos de laboratorio que utilizan el principio de hibridación y en los que la variación está dada por el tipo de ácido nucleico utilizado, el soporte en que se lleva a cabo la hibridación y la forma de colocar los ácidos en la membrana.

Southern blot: Es una técnica empleada para detectar secuencias específicas de ADN. Para llevar a cabo hibridaciones de este tipo, se aísla el ADN de un tejido o línea celular, luego se purifica, y se digiere con enzimas de restricción específicas. Los fragmentos generados se separan mediante electroforesis y después son transferidos a la membrana que sirve de soporte (gel de agarosa). Este proceso se lleva a cabo colocando el gel de agarosa sobre papel filtro previamente remojado en una solución llamada de transferencia (solución salina concentrada). A continuación se sitúa la membrana sobre el gel y encima de esta una pila de papel filtro seca, y por capilaridad la solución de transferencia es atraída a la pila de papel filtro, arrastrando consigo al ADN hacia la membrana, donde queda inmovilizado conservando la misma posición relativa que ocupaba en el gel. Luego, el ADN puede ser hibridado en la membrana con una sonda marcada (Cerezo & Madrid, 1995; Correa-Rotter & Gamba, 1997).

Debido a que la transferencia del ADN del gel a la membrana se produce por capilaridad, con el mismo principio utilizado por años para limpiar manchas con papel secante, el proceso se conoce en inglés como blotting; Southern propuso utilizar el término blot (secado) o blotting para referirse a esta técnica y actualmente se conoce como Southern blot (Mercado & Gamba, 1997).

Esta técnica se ha empleado para el diagnóstico y caracterización de diversas inmunodeficiencias, la distrofia muscular de Duchenne, la hipoplasia adrenal congénita, la deficiencia de glicerol-quinasa, la distrofia miotónica severa y en análisis de mutaciones de genes en células B de leucemia linfoblástica crónica, entre otras enfermedades (Cerezo & Madrid, 1995).

Northern blot: Es una variante del método anterior en el que en lugar de utilizar ADN como sustrato de estudio, se emplea ARN. El procedimiento que se sigue es similar al Southern blot y por analogía con este se le conoce como Northern blot. Esta técnica se ha aplicado en estudios de la modulación de la síntesis de interleucina 6 en pacientes con artritis reumatoide, en el análisis de expresión de receptores que participan en la síntesis de moléculas en cultivos celulares, en análisis de mutaciones y alteraciones del RNAm de enzimas, y en la regulación de la expresión génica de marcadores moleculares de células leucémicas humanas y moléculas del reconocimiento inmunológico (Cerezo & Madrid, 1995).

Western blot: No es un método de análisis directo de los ácidos nucleicos, sino del producto de la expresión de los genes, o sea las proteínas. Aunque difiere de los anteriores en cuanto a que no existe hibridación, sino que la identificación de las proteínas se realiza con anticuerpos marcados, sí se mantiene el principio de la transferencia a la membrana que sirve de soporte posterior a la electroforesis y previo a la identificación, y por lo cual siguiendo el juego de palabras ha sido denominado de esta manera (Cerezo & Madrid, 1995; Mercado & Gamba, 1997). Esta técnica permite el desarrollo de pruebas para diferenciar tipos de virus que infectan a células, se ha aplicado en estudios de la variabilidad individual de los niveles de determinadas enzimas, en la caracterización molecular de genes (Cerezo & Madrid), etc.

Dot blot y slot blot: Son procederes similares al Northern con la diferencia de que el ARN no es sometido a electroforesis sino que se sitúa directamente sobre la membrana. Este tipo de análisis requiere de un molde asociado a succión con vacío para colocar el ARN que puede producir círculos o puntos (dot blot) o hendiduras (slot blot). Este tipo de prueba es muy útil cuando se quieren estudiar gran número de muestras, pero tienen la limitante de no ofrecer información sobre el tamaño de las bandas del ARN hibridado (Correa-Rotter & Gamba, 1997).

Hibridación de colonias bacterianas: Es un método empleado para identificar colonias bacterianas que contengan determinada secuencia de ácidos nucleicos de interés. La metodología consiste en sembrar los clones sobre placas de Petri con agar para después de crecidos transferirlos a membranas de nylon o nitrocelulosa y luego realizar la hibridación (Plata, 1996).

Hibridación in situ: Es un método histoquímico que emplea a la biología molecular de la misma manera que la inmunohistoquímica utiliza los métodos de la inmunología. La especificidad de la hibridación in situ (HIS) se basa en la unión recíproca de una secuencia de oligonucleótidos (la sonda), con una secuencia complementaria de nucleótidos presente en las moléculas de ARN o ADN dentro del tejido (Quintanilla-Martínez & Gamba, 1997).

Entre las ventajas de esta técnica están su alto grado de resolución espacial que permite la localización de secuencias génicas a escala cromosómica, con lo que se pueden detectar translocaciones y otras alteraciones, así como también el estudio de expresión génica a escala celular y subcelular. Otra de sus ventajas es que se puede realizar en material fijado e incluido en parafina lo que permite realizar estudios retrospectivos en material de archivo. Por otra parte la cantidad de tejido requerido para realizar un estudio de HIS es mínima en comparación con otras técnicas de biología molecular (Quintanilla-Martínez & Gamba, 1997).

Entre las principales aplicaciones de la HIS tenemos la detección de ARN o ADN de origen viral, el análisis de la expresión génica (detección de ARNm) y los análisis cromosómicos (Quintanilla-Martínez & Gamba, 1997).

La HIS con fluorescencia (FISH) (Hogge & Mowery-Rushton, 1997; Bobadilla & Gamba, 1996) es una importante herramienta de uso rutinario en investigación y con grandes posibilidades de aplicación en el diagnóstico de enfermedades neoplásicas, genéticas, estudios a nivel cromosómico, etc. En ella la sonda se marca con sustancias fluorescentes que se visualizan después mediante microscopía.

Mapas de restricción.

Esta técnica se basa en el principio de la enzimología de restricción donde de una molécula de ADN dada se obtendrán siempre los mismos fragmentos cada vez que sea expuesta a una enzima de restricción particular. La complejidad del mapa depende del tamaño de la molécula (a mayor número de bases será mayor el número de sitios de restricción) y del número de enzimas utilizadas. De esta forma, dos moléculas de ADN del mismo tamaño pueden ser fácilmente diferenciadas por los mapas de restricción que producen al tratarlas con las mismas enzimas (Merino & Gamba, 1996).

Este mismo principio lo utiliza el procedimiento denominado análisis de polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) (Granner, 1992), pero aprovechando el hecho de la existencia de variaciones en la constitución genética de la población (polimorfismo genético), que hace que se observen diferencias entre los individuos en cuanto al número y longitud de los fragmentos producidos. La existencia de los RFLPs es la base de la técnica que se ha denominado huellas digitales del ADN y que permite establecer inequívocamente la relación padres e hijos, entre otras aplicaciones.

Reacción en cadena de la polimerasa.

La reacción en cadena de la polimerasa o PCR como comúnmente se conoce (del inglés polymerase chain reaction) es un método enzimático de amplificación de secuencias específicas de ADN, concebido por Kary Mullis y sus colaboradores a principios de los años 80. Este método permite la síntesis in vitro de un fragmento de ADN de forma tal que, en cada ciclo del proceso, se duplica el número de moléculas (Bobadilla & Gamba, 1996).

El principio del PCR consiste en determinar la secuencia de interés y seleccionar pequeños segmentos de nucleótidos llamados iniciadores o cebadores, complementarios con la secuencia de nucleótidos de los extremos opuestos de las cadenas que flanquean a dicha secuencia, a partir de los cuales se inicia la elongación o síntesis de nuevas cadenas en el extremo 3' de cada iniciador (Cerezo & Madrid, 1995).

En esta técnica se consideran importantes los siguientes parámetros: un suministro abundante de iniciadores y de desoxinucleótidos trifosfatados (dNTPs); una fuente renovada de ADN polimerasa (enzima encargada de la síntesis de las cadenas complementarias); y los ciclos periódicos de cambios de temperatura. Estos últimos consisten en: desnaturalización del ADN a 100° C, alineamiento de los iniciadores con las secuencias de interés entre 50 y 60° C y síntesis del ADN a 72° C. Estas temperaturas pueden variar de acuerdo con las condiciones de la reacción (Bobadilla & Gamba, 1996).

Cuando se comenzó a utilizar la PCR, el empleo de la ADN polimerasa I de E. coli hacía el proceso muy tedioso, pues esta enzima perdía su función al incrementar la temperatura, lo que obligaba a agregar ADN polimerasa en cada ciclo. Con la introducción de la llamada Taq polimerasa, una ADN polimerasa aislada de la bacteria Thermus aquaticus que vive en aguas termales y tiene una temperatura óptima entre 70 y 75° C, la PCR se hizo más eficiente, más accesible e incluso fue posible automatizarla (Cerezo & Madrid, 1995).

El poder de la amplificación con PCR es tan alto que los más pequeños contaminantes pueden dar resultados falsos positivos, por lo que el material y las soluciones a emplear deben ser escrupulosamente controlados.

Las aplicaciones de la PCR son múltiples y parecen estar sólo limitadas por la imaginación de los científicos. Entre ellas tenemos: la amplificación de fragmentos de genes como rápida alternativa de la clonación, la modificación de fragmentos de ADN, la detección sensible de microorganismos seguido de una segura genotipificación, si se desea, el análisis de muestras arqueológicas y estudios antropológicos, la detección de mutaciones importantes en enfermedades hereditarias, transformación maligna o tipaje de tejidos, el análisis de marcadores genéticos para aplicaciones forenses, pruebas de paternidad y para el mapeo de rasgos hereditarios, el estudio de expresión de genes, entre otras (Herrera & Gamba, 1996).

Secuenciación nucleotídica del ADN.

La consecuencia inmediata de clonar un fragmento de ADN es la posibilidad de secuenciarlo. El entendimiento a fondo de la estructura, función y mutación de un fragmento de ADN depende en primera instancia de conocer la estructura primaria de sus nucleótidos; es decir, la secuencia de nucleótidos.

Básicamente existen dos métodos para la secuenciación del ADN, uno químico y otro enzimático, desarrollados en la década de los 70 por Maxam y Gilbert y Sanger y colaboradores (Lehninger, 1993; Ministerio de Educación, 1981), respectivamente.

Conocer la secuencia de un segmento de ADN que ha sido clonado, representa una gran ventaja para su caracterización ya que, a través de la secuencia es posible determinar las diferentes regiones que conforman un gen, deducir la secuencia de aminoácidos para la síntesis de una proteína y la formación de sus estructuras secundarias (Cerezo & Madrid, 1995). En medicina la secuenciación del ADN tiene importantes implicaciones en la comprensión de los mecanismos fisiopatológicos que se generan por la inferencia en la secuencia y homología entre genes. El conocimiento de genes responsables de enfermedades hereditarias hace posible mediante secuenciación, identificar a individuos portadores asintomáticos o en fase preclínica (Martínez & Gamba, 1996). La secuenciación del genoma de determinados agentes biológicos patógenos por ejemplo Haemophilus influenzae (Caskey, 1997) y Helicobacter pilory (Scientists complete decoding of the H pylori genome, 1997) permite, además de comprender los mecanismos de producción de la enfermedad, desarrollar nuevos métodos diagnósticos y terapéuticos.

Proyecto del Genoma Humano

El Proyecto del Genoma Humano (PGH), esfuerzo internacional considerado por muchos como una de las empresa más grandes emprendidas por el hombre en todos los tiempos, dirigido a entender, fundamentalmente, nuestro genoma, comenzó en Estados Unidos en 1990 cuando al Instituto Nacional de Salud y al Departamento de Energía se unieron otras instituciones del resto del mundo para descifrar la masiva cantidad de información contenida en él. Su ejecución tomó como base el arsenal de conocimientos y herramientas aportados por la biología molecular y la computación hasta ese momento. Este proyecto en sus inicios se trazó un grupo importante de ambiciosas metas las cuales han sido sobrepasadas en su mayoría. Su conclusión estaba prevista para el año 2005, sin embargo, ya el 14 de abril de 2003, algo más de dos años antes y coincidiendo con el 50 aniversario de la descripción por James Watson y Francis Crick de la doble hélice del ADN; el Consorcio Internacional para la Secuenciación del Genoma Humano anunciaba su culminación exitosa, la cual alcanzó una exactitud del 99,99 %, lo que equivaldría a sólo un error por cada 10000 pb (National Human Genome, 2004, National Human Genome Research Institute, National Institute of Health, 2004).

La secuenciación del genoma humano es sólo el comienzo de lo que ha sido denominado era genómica y el conocimiento que de ello se derive permitirá arrojar luz sobre un amplio espectro de cuestiones básicas tales como, cuántos genes tenemos, cómo trabajan las células, como evolucionaron los seres vivientes, cómo una simple célula se desarrolla en complejas criaturas, qué sucede exactamente cuando enfermamos. Además de responder innumerables preguntas sobre nuestra individualidad molecular. Las aplicaciones directas en medicina incluyen el diagnóstico, pronóstico y prevención de diversas enfermedades, así como su tratamiento efectivo. En 1990, por ejemplo, se tenia idea de la existencia de alrededor de 100 genes involucrados en determinadas enfermedades; hoy se han identificado más de 1400 y la lista continúa incrementándose. Muchas de estas enfermedades serán blanco de disciplinas que se han desarrollando en los últimos años, como la farmacogenómica y la terapia basada en los genes (An Interview with Francis S. Collins, M.D., Ph.D., 2003; Austin, 2003; Collins, Green, Guttmacher & Guyer, 2003).

Campos de aplicación de la tecnología del ADN recombinante

Uno de los principales objetivos de la ingeniería genética ha sido la producción de grandes cantidades de proteínas, las cuales por demás pueden ser difíciles de obtener de sus fuentes naturales (bien porque son producidas en baja concentración por la célula o porque su manipulación es demasiado peligrosa) (Freifelder, 1983). La importancia de obtener tales proteínas por esta vía estriba, entre otros aspectos, en su bajo costo de producción y en que algunas de ellas como la insulina, el interferón y la hormona del crecimiento (somatotropina), concebidas para terapia en humanos por otros medios, pueden inducir reacciones alérgicas (Ministerio de Educación, 1981)

La fuente principal de proteínas vía recombinación genética in vitro son los microorganismos, aunque los animales y plantas también son empleados en ensayos para obtener proteínas de interés; así por ejemplo investigadores de la misma compañía que clonó la oveja Dolly en Escocia a mediados de los años 90, lograron la obtención de una oveja transgénica que produce en su leche la proteína de la coagulación humana factor IX (Scientists achieve new breakthroughs in cloning of transgenic animals, 1998). La hemoglobina humana recombinante ha sido sintetizada en cultivos de bacterias, levaduras y en células animales transfectados, sin embargo, las plantas transgénicas parecen ofrecer, a juicio de los investigadores, un número de ventajas que incluyen la reducción de los problemas del envejecimiento de la sangre de banco, así como la exclusión de contaminantes derivados de fuentes bacterianas o animales (Researchers use tobacco plants to synthesize human haemoglobin, 1997). Se trabaja, por otra parte, en la producción de animales transgénicos y clonados que expresarían inmunoglobulinas y otros productos biofarmacéuticos para el tratamiento de enfermedades autoinmunes (Pigs cloned to produce human antibodies, 1997).

Son también ejemplos del poder de la ingeniería genética en el terreno de la medicina la identificación de genes sin conocer la función de sus productos en procesos patológicos como la ataxia telangiectasia, la poliquistosis renal y el subtipo infantil de lipofuscinosis ceroide (McCabe, 1996). En otras enfermedades se ha podido profundizar en su fisiopatología, tal es el caso de la fibrosis quística (Ramsey, 1996) y la enfermedad de Alzheimer (Mcmanus & Gascoyne, 1997; Transgenic mice provide insights into Alzheimer’s desease, 1998). La recombinación genética in vitro ha permitido, además, encontrar los genes responsables de enfermedades como la distrofia miotónica, la enfermedad de Huntington, la hemocromatosis hereditaria (Voelkerding, 1998) y algunos tipos de inmunodeficiencias (Villa, 1997; Spickett, 1997).

Uno de los grandes retos que tiene la medicina actual es llegar a conocer con certeza los mecanismos y procesos involucrados en la génesis del cáncer y poder actuar en consecuencia. La clonación de genes ha revelado la existencia de dos categorías génicas que se caracterizan por la presencia de mutaciones específicas y que tienen un importante papel en la expresión de células cancerosas, estas categorías corresponden a los oncogenes y a los genes supresores del cáncer. Se ha agregado a estas una nueva categoría cuyas mutaciones se vinculan específicamente con el cáncer colorectal, se trata de los genes de la reparación de errores de apareamiento del ADN (National Cancer Institute–National Human Genome Research Institute Workshop, 2004).

Un enfoque no menos importante en la utilización de la tecnología del ADN recombinante en medicina es la terapia génica. Como concepto la terapia génica consiste en la transferencia de material genético a las células de un enfermo, produciéndole efectos terapéuticos benéficos. En principio se podrían tratar enfermedades hereditarias como la inmunodeficiencia severa combinada, la anemia falciforme, la distrofia muscular, la fibrosis quística, etc. (Moreno & Gamba, 1996), aunque de modo general cualquier afección en la que se pudiese demostrar una alteración génica como factor involucrado en su fisiopatología; sería susceptible de recibir esta terapéutica.

Aun cuando hasta el momento no se dispone de un vector que permita una transferencia de genes directamente dentro del paciente, que sea eficiente, efectiva y estable, la terapia de genes es fuente de esperanzas para investigadores, médicos, pacientes y familiares (Marshal, 1995; Vogel, 1997). Los vectores virales aunque han sido los más empleados no satisfacen las expectativas iniciales. Ahora se prueba con otros vectores no virales como los liposomas (Ramsey, 1996) y se piensa incluso en usar las células indiferenciadas y con alta capacidad para multiplicarse de la médula ósea, para modificarlas genéticamente en el exterior y luego tratar con ellas no sólo trastornos hematológicos, sino también, afecciones del colágeno, hueso y músculo; dada su capacidad de distribuirse por todo el organismo después de madurar (Brenner, 1996).

CONCLUSIONES

Hoy prácticamente no existen dudas de que la Biología Molecular con sus métodos, unido a los conocimientos derivados del Proyecto del Genoma Humano afectará el curso de la ciencia y la medicina a lo largo del siglo 21. La fisiopatología de más y más enfermedades será comprendida hasta el nivel molecular, se desarrollarán nuevas drogas dirigidas contra las causas subyacentes de las enfermedades, las pruebas genéticas antes de prescribir una droga asegurarán que cada individuo reciba aquellos medicamentos que traten sus malestares efectivamente sin efectos colaterales, aumentará nuestro conocimiento sobre cuestiones básicas de Biología, los científicos entenderán mejor los componentes esenciales de la vida y cómo funcionan las células y organismos; sin embargo, el reto fundamental estará en mantener un balance saludable que evite los daños potenciales derivados de estos avances, y permita preservarlos sólo para darle un uso adecuado.

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Autor:

Dr. Vladimir Ruiz Álvarez,

Especialista de Primer Grado en Laboratorio Clínico. Master en Bioquímica General. Profesor

Asistente de Bioquímica y Laboratorio Clínico,

Dirección: Instituto de Nutrición e Higiene de los Alimentos,

Laboratorio de Bioquímica y Fisiología, Calzada de Infanta 1158, Entre Clavel y Llinás, CP. 10300,

Ciudad de La Habana, Cuba. Teléfono: (537) 879 5183

;

Dr. Rafael Menéndez Lorenzo,

Especialista de Primer Grado en Medicina Interna, Profesor Asistente de Medicina Interna,

Instituto superior de Ciencias Médicas de La Habana, Facultad de Ciencias Médicas Calixto García