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BIOTECNOLOGÍA


La biotecnología comprende un conjunto de tecnologías que emplean organismos vivos, o algunas de sus partes o sustancias, para utilizarlos en la elaboración de productos y en la facilitación de procesos industriales.

La biotecnología ha tenido una gran importancia en diversos sectores: salud, agropecuario, industrial y ambiental. Las técnicas utilizadas en la biotecnología varían en complejidad, desde las relativamente simples como la elaboración de productos lácteos como yogur y licores, hasta las más complejas como la creación de organismos transgénicos y la clonación, que requieren de la ingeniería genética.

Entre los numerosos productos obtenidos a través de procesos biotecnológicos se pueden citar los siguientes: Vacunas, Drogas, Hormonas, Enzimas, Bebidas lácteas, Licores, Semillas mejoradas, Proteínas, Plantas resistentes a plagas, Biopesticidas, entre otros. En las ciencias ambientales la biotecnología tiene aplicaciones en el diagnóstico, prevención y tratamiento de contaminación del agua, del aire y del suelo, así como en la aplicación de mecanismos de producción más limpia.

La ingeniería genética, una de las herramientas utilizadas en la biotecnología, es la modificación y recombinación dirigida del material genético, fundamentalmente del ADN, y la introducción y multiplicación en células vivas del ADN recombinado.

A continuación se describen 3 técnicas ampliamente utilizadas en la ingeniería genética y en la biotecnología en general. Estas tres técnicas son:

1. Técnica del ADN recombinante
2. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
3. Electroforesis


1. TÉCNICA DEL ADN RECOMBINANTE:

Esta técnica consiste en combinar artificialmente dos o más segmentos de ADN en una nueva secuencia que no existía antes en la naturaleza. Para llevar a cabo este proceso es necesario disponer de enzimas de restricción y de plásmidos, los que se explicarán a continuación.

Enzimas de restricción: Las enzimas de restricción son proteínas que se encuentran en las bacterias, en donde tienen la función de cortar secuencias de ADN extraño, tal como el de los virus que pueden invadirlas. Muchas de las enzimas de restricción no cortan el ADN en forma aleatoria en cualquier parte de la molécula, sino que lo hacen en sitios específicos. Existen distintas enzimas de restricción que reconocen determinadas secuencias de bases nitrogenadas y la cortan entre dos de sus nucleótidos. Por ejemplo, la enzima BamHI reconoce la secuencia GGATCC y hace un corte entre los nucleótidos adyacentes de guanina, dejando extremos “pegajosos” expuestos.
Por ejemplo, si se tiene una molécula de ADN con la siguiente serie de bases:

AATTGTGGATCCTCCAGAA
TTAACACCTAGGAGGTCTT

La enzima de restricción BamHI reconoce la secuencia GGATCC en ambos lados de la cadena y hace un corte entre las guaninas, quedando un corte como se ilustra a continuación:


Una segunda enzima de restricción del mismo tipo realizará el mismo corte en otra parte de la cadena dando como resultado un segmento aislado de ADN que puede contener un gen que produce una proteína en la que estamos interesados en obtener. Por ejemplo la insulina y hormonas para el crecimiento humano.

Plásmidos: Los plásmidos son segmentos de ADN que oscilan en tamaño de 1.000 a 100.000 nucleótidos aproximadamente, y que se encuentran en el interior de las bacterias. Es un ADN que no hace parte del cromosoma bacteriano. Una bacteria puede tener docenas o cientos de estos plásmidos. Tienen la capacidad de autoreproducirse. Algunos de estos plásmidos contienen genes que codifican enzimas capaces de digerir antibióticos, por lo que le dan a la bacteria resistencia a esas sustancias. Los plásmidos pueden intercambiarse entre bacterias.

Si se exponen estos plásmidos a enzimas de restricción, éstas realizarán un corte entre bases específicas abriendo el plásmido y dejando libres extremos pegajosos. Estos extremos pueden unirse con cualquier otro segmento de ADN que haya sido escindido por la misma enzima. Así, es posible insertar un gen extraño en el plásmido. El segmento de ADN que formaba parte de un cromosoma humano se recombina con el ADN del plásmido. De allí que la técnica de denomine ADN recombinante.

Cuando estos plásmidos transformados se liberan en un medio en el cual están creciendo bacterias, son captados por las células bacterianas. Al replicarse las bacterias lo harán también los plásmidos. El gen comenzará a expresarse ahora en las células bacterianas y las proteína codificada por tal gen podrá ser obtenida en grandes cantidades.

Se conocen aproximadamente 1.000 enzimas de restricción diferentes que reconocen determinadas secuencias y hacen el corte entre bases específicas.
Otro ejemplo de enzima de restricción es la EcoRI, la cual reconoce la secuencia GAATTC y hace el corte entre las bases G y T.

La técnica del ADN recombinante ha permitido la obtención de organismos transgénicos, es decir organismos a los que se le ha transferido genes de otras especies. Algunos ejemplos de tales organismos son:

• Plantas de tabaco a las que se le ha insertado el gen de la bioluminiscencia de las luciérnagas.
• Plantas de maiz con genes de bacterias que los hacen resistentes a plagas.
• Vacas que producen en su leche proteínas humanas.
• Polly, una oveja, que produce en su leche una proteína humana, el factor IX, un coagulante de la sangre que está ausente en las personas que sufren de hemofilia B.

2. REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (Polimerase Chain Reaction o PCR)

La técnica de Reacción en cadena de la polimerasa o PCR, por sus siglas en inglés, permite obtener muchas copias de un segmento de ADN. La esencia de la técnica es relativamente simple y consiste de los siguientes pasos:

1. Se calienta el ADN hasta que las dos cadenas de la molécula se separen, dando como resultado 2 hebras separadas.
2. Se adicionan nucleótidos, ADN polimerasa y secuencias promotoras de ADN que dan las señales de inicio de la replicación del ADN.
3. Tan pronto como la mezcla comienza a enfriarse los segmentos promotores de ADN se unirán a las hebras separadas y la ADN polimerasa unirá los nucleótidos libres con los nucleótidos de los segmentos de ADN de la molécula inicial. En esta fase se logra la duplicación del ADN.
4. Se repite el procedimiento anterior.

Al cabo de 10 ciclos se obtienen 1000 copias de ADN y en 20 ciclos se tendrá un millón de copias. En muchos casos de medicina forense, por ejemplo, se requieren grandes cantidades de ADN por lo que la técnica es bastante útil.
La técnica de PCR fue inventada por Kary Mullis en 1983, por lo que recibió el premio Nobel de Química en 1993.


3. ELECTROFORESIS:

La electroforesis es una técnica que permite comparar el tamaño y la secuencia de bases de varios segmentos de ADN. El ADN es una molécula que tiene una carga negativa, y por lo tanto es atraída hacía cargas positivas. En la electroforesis se utiliza un gel de agarosa, a través del cual el ADN puede pasar. La técnica se puede resumir de la siguiente manera:

1. La muestra de ADN de varias células del mismo organismo se mezcla con determinada enzima de restricción, lo que producirá varias copias del segmento 1, varias copias del segmento 2, etc.
2. Se coloca el gel de agarosa dentro de un recipiente que a su vez está dentro de una solución que conduce electricidad.
3. Luego se coloca el ADN, ya en segmentos, en el extremo del gel opuesto al extremo que tiene la carga positiva.
4. Al dejar pasar el ADN a través del gel los segmentos más cortos migrarán hacía el polo opuesto a una velocidad mayor que los segmentos más largos.
5. El tamaño de los fragmentos se puede conocer comparando la distancia a la que migraron con la migración de fragmentos de referencia de longitud ya conocida.

Esta técnica nos permitirá conocer el número y el tamaño de los segmentos de determinado ADN. Conociendo esto, podrá compararse si dos tipos de ADN pertenecen al mismo individuo.


CLONACIÓN DE ORGANISMOS:

Clonar un organismo significa hacer una copia exacta de él mismo.
El clon más famoso es la oveja Dolly nacida en Escocia en 1997. Dolly fue clonada por Ian Wilmut, Keith Campbell y sus colegas en el Instituto Roslin.
Krogh (2000) describe el procedimiento para obtener a Dolly de la siguiente manera:

1. Se extrae una célula de la glándula mamaria de la oveja adulta que se quiere clonar. En este caso se hizo de una oveja de 6 años.
2. Se induce a que la célula se divida en un medio de cultivo y se obtienen varias células hijas genéticamente idénticas.
3. Una de estas células se selecciona para ser clonada.
4. A otra oveja se le extrae un óvulo, y a éste se le saca el núcleo y por consiguiente el ADN nuclear, utilizando una micropipeta.
5. La célula seleccionada y el óvulo se ponen juntas y se les aplica una corriente eléctrica que hace que las dos se fusionen y que la célula insertada en el núcleo se comporte como un embrión y comience su desarrollo dentro del óvulo.
6. Luego de un tiempo de incubación el embrión fue insertado en el útero de otra oveja, que actúa en calidad de madre sustituta.
7. Al cabo de 21 semanas nació una saludable oveja llamada Dolly.

Aunque el óvulo carece de su ADN, todavía posee todas las proteínas que hacen posible el desarrollo del embrión.

Cada célula de Dolly contiene el mismo ADN nuclear que el que tenía la célula de la glándula mamaria de la oveja donante. En la concepción de Dolly no hubo la fusión de un espermatozoide y un óvulo, como es común en la reproducción sexual, no hubo una mezcla de ADN nuclear (Krogh, 2000).

De acuerdo con Wilmut (2000) se pensaba que Dolly sería estéril, pero en 1998 tuvo una hija, llamada Bonnie. Dolly no es el primer mamífero clonado pero sí el primer clon surgido a partir de una célula somática adulta. Otros mamíferos habían sido ya clonados pero a partir de células embrionarias.

Por su parte, en el Instituto de Tecnología Celular Avanzada (ACT) en Worcester, Massachussets, Robert Lanza y sus colaboradores tienen un proyecto de clonar organismos en peligro de extinción. En noviembre del año 2000 lograron obtener un clon de un gaur, bovinos de casi 1 tonelada de peso que han sido sometidos a la caza deportiva, lo que junto con la disminución de sus hábitats han hecho que la especie sea considerada en peligro y esté en la lista roja de la IUCN (Unión Internacional para la conservación de la naturaleza). El gaur, llamado Noel, se obtuvo de una célula de la piel de un gaur macho, que luego fue insertada en el óvulo enucleado (sin núcleo) de una vaca. La técnica para crearlo fue similar a la utilizada con Dolly, con la diferencia de que en este caso se utilizaron fibroblastos o células de la piel. Pero crear a Noel no fue tarea fácil. Como lo describe Lanza (2000) en el ACT se obtuvieron los siguientes resultados en el procedimiento:

Fusión de 692 óvulos enucleados con células de la piel del gaur macho.
De estos 692 embriones sólo 81 se desarrollaron en blastocitos, que son masas de 100 células más o menos, que están lo suficientemente desarrollados para implantar en las vacas sustitutas para su gestación.
Se insertaron 42 blastocitos, pero sólo 8 vacas resultaron preñadas. Dos de estos embriones fueron removidos de las vacas para análisis de laboratorio. Cuatro vacas sufrieron aborto durante los primeros 3 meses de gestación. Otra sufrió un aborto espontáneo tardío. Sólo un embarazo fue exitoso. Esta estadísticas reflejan que la eficiencia de la clonación no es alta, especialmente cuando se trata de transferir embriones de una especie en el útero de otra especie diferente. Las probabilidades de éxito son mayores cuando se trata de transferencia a la misma especie aunque en este caso tampoco son muy alentadoras. En el ACT por cada 100 óvulos de vaca que fusionan con células somáticas de novillos adultos, puede esperarse que sólo entre 15 y 20 se desarrollen en blastocitos. Y sólo el 10% de éstos, dan lugar a individuos vivos. O sea de 100 óvulos se tiene la probabilidad del 1% - 2% de obtener un clon.

Dado que todavía existen dificultades en el desarrollo de un embrión de una especie en el útero de otra especie, Betsy Dresser ha hecho algunos ensayos que han resultado exitosos. Algunos ejemplos son los siguientes:
Embriones de gatos salvaje africanos transferidos a gatos domésticos.
Un antílope bongo en un antílope común.
Un venado rojo en un venado común.
Otros candidatos potenciales son el chita y el oso panda.

Los últimos avances en clonación humana han sido logrados por Cibelli (2002) y colaboradores en el ACT. El proyecto de la clonación de células humanas se inició en Enero de 2001. Obtuvieron óvulos maduros de mujeres voluntarias y células de la piel (fibroblastos) de varones para cultivarlas y realizar el procedimiento ya descrito anteriormente, de insertar estas células en los óvulos enucleados (sin núcleo) de las mujeres. Luego de varios intentos no se pudo obtener la división de la célula. Se intentó entonces con células procedentes de los ovarios y con éstas se logró que un embrión llegara a un estado de 6 células y allí paró su crecimiento. Estos, han sido los mayores avances en la clonación de humanos.

BIBLIOGRAFÍA

AUDESIRK, Teresa y Gerald AUDESIRK. Biología, la vida en la tierra. 4ª. Ed. Mexico: Prentice may. 1996.

CIBELLI, Jose; Robert LANZA Y Michael WEST. The first human cloned embryo. Scientific American 286 (1):42-49. 2002

KROGH, David. Biology, a guide to the natural world. Prentice Hall. 2000

LANZA, Robert; Betsy DRESSER y Philip DAMIANi. Cloning Noah´s Ark. Scientific American. 283 (5): 66-71. 2000

WILMUT, Ian; Keith CAMPBELL y Colin TUDGE. La segunda creación, de Dolly a la clonación humana. 1 edición. Barcelona: Ediciones B, 2000. 390 p.

CÓMO FUE OBTENIDA DOLLY?

1. Una célula de la glándula mamaria de una oveja de 6 años (A) fue reproducida en el laboratorio. Un óvulo fue obtenida de otra oveja B.
2. Una célula fue seleccionada como donante para la clonación. El ADN del óvulo fue extraído con una micropipeta.
3. La célula donante y el óvulo enucleado (sin ADN) se colocaron juntos y se aplicó una corriente eléctrica.
4. Se produjo la fusión de la célula donante con el óvulo. Esto causó que la célula comenzara a desarrollarse como un embrión.
5. Luego de un tiempo de incubación, el embrión fue implantado en la oveja C, que será la madre sustituta.
6. La madre sustituta dio origen a Dolly, un clon de la oveja A.