Ingeniería genética

Definición y conceptos fundamentales

Se entiende por Ingeniería Genética al conjunto de técnicas derivadas de los conocimientos de la Biología Molecular y relacionadas con la manipulación de las secuencias de ácidos nucleicos o de los genes. Alternativamente se utiliza la terminología modificación genética o manipulación genética, que tiene el mismo significado. De lo que se trata es de la transferencia de genes de una especie a otra de forma artificial, con el fin de conseguir la transformación de la especie receptora en algún rasgo hereditario aportado por la donante. Al organismo modificado de esta forma se le denomina organismo transgénico. La transgénesis supone por lo tanto el diseño de un genotipo específico mediante la adición de ADN foráneo que es insertado en un genoma por métodos distintos a los naturales de la recombinación por cruzamiento.

Los antecedentes de la Ingeniería Genética

Frederick Griffith Nacimiento: Hale (Inglaterra) 1879. Fallecimiento: Londres (Inglaterra) 1941. Fue un oficial médico y genetista británico. En 1928, en el experimento conocido como "experimento de Griffith", descubrió lo que él llamó "principio de transformación", es decir lo que hoy en día se conoce como ADN.​​

Los antecedentes tecnológicos de esta metodología se encuentran en los experimentos de transformación bacteriana desarrollados por Frederick Griffith en 1928, en el transcurso de un estudio sobre la septicemia en el ratón. Esta enfermedad se debe a la infección del animal por unas estirpes bacterianas de Diplococcus pneumoniae, que se caracterizan por desarrollar colonias de superficie lisa (S) y brillante cuando se cultivan sobre medios nutritivos, lo que se debe a la cápsula de polisacáridos que posee. Existen otras estirpes no virulentas, que se caracterizan por desarrollar colonias de superficie mate y rugosa (R), por carecer de dicha cápsula y que son eliminadas por el sistema inmunológico de los animales infectados. Griffith observó que cuando inyectaba ratones con bacterias R los animales no morían, y cuando lo hacía con bacterias S muertas con calor obtenía el mismo resultado. Sin embargo, cuando inyectaba a los ratones con una mezcla de bacterias R y bacterias S tratadas con calor, los animales morían de septicemia y en su sangre aparecían bacterias S. Griffith dedujo que debía de existir algún “principio transformante” que pasaría de las bacterias S tratadas con calor a las R.

El significado biológico de este experimento fue en realidad comprendido 16 años más tarde, merced a otro experimento desarrollado por los investigadores americanos Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn Mc-Cartthy, mediante el cual demostraron que el ADN, y no las proteínas, constituye el principio transformante de Griffith. Es decir, el ADN es la sustancia de la cual están compuestos los genes.

En 1953, James Watson y Francis Crick (Premios Nobel de Medicina en 1962) publicaban sus conclusiones sobre la estructura de la doble hélice. El ADN, que existe en todos los seres vivos con la excepción de algunos tipos de virus, satisface los requisitos necesarios para constituir el agente molecular de la herencia. En efecto, esta molécula posee capacidad de almacenar y expresar mensajes, originar copias y producir mutaciones.

El ADN es en realidad una molécula lineal compuesta por dos polímeros, a modo de cadenas de unidades alternas de azúcar y fosfato, que giran una alrededor de la otra en paralelo y que se ensamblan entre sí, por medio de unas moléculas denominadas bases nucleotídicas de las que hay cuatro tipos diferentes:

• Adenina.
• Guanina.
• Timina.
• Citosina [las bases nucleotídicas, también llamadas bases nitrogenadas, son moléculas de heterociclos formados por átomos de carbono y nitrógeno].

La unión se establece mediante puentes de hidrógeno entre una base de una cadena y otra de la cadena de enfrente, siempre Adenina con Guanina y Timina con Citosina. Las dos moléculas se empaquetan formando una doble hélice que puede abrirse como una cremallera, de forma que cuando se replica cada uno de los dos filamentos del ADN sirve de molde para la síntesis del filamento complementario.

En 1958, Francis Crick propuso la expresión Dogma Central de la Biología Molecular (DCBM), para resumir de forma esquemática el conjunto de hechos que tienen que ver con el flujo de la información genética y que son fundamentalmente dos.

• El primero es la replicación, mediante la cual la información genética contenida en el ADN es copiada de forma semiconservativa, de modo que las dos moléculas nuevas conservan cada una de ellas una cadena primitiva.
• El segundo es la expresión, determinada por la secuencia de las bases nucleotídicas del ADN que constituye un gen, que va a servir para la síntesis de una proteína.

La expresión transcurre en dos pasos:

1. Desde el ADN a las moléculas de ARN mensajero (ARN-m), paso denominado transcripción.
2. Y desde el ARN-m a la proteína destinataria de la información, paso denominado traducción [el ARN-mensajero es una molécula de cadena simple que transmite la información desde el ADN para que se traduzca en un polipéptido].

El ácido desoxirribonucleico, conocido también por las siglas ADN, es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos​ y algunos virus; también es responsable de la transmisión hereditaria.

La utilización de la secuencia de bases nucleotídicas para la síntesis de una secuencia de aminoácidos obedece a un sistema de codificación único y universal conocido como código genético.

La tecnología que hizo posible la ingeniería genética se desarrolló en la segunda parte del siglo XX. Un primer paso decisivo tuvo lugar hacia 1967, cuando se descubrieron dos grupos de enzimas relacionadas con el ADN, que se convertirían en elementos esenciales del proceso, las endonucleasas de restricción y las ligasas. Ambos tipos de enzimas existen en los seres vivos y están encargadas de alterar y reparar el ADN en determinadas circunstancias.

El investigador americano Hamilton Smith había descubierto la existencia de las endonucleasas de restricción, que existen en las bacterias como un mecanismo natural de defensa para cortar el ADN extraño procedente de algún agente invasor (virus bacteriano, otras bacterias), que posteriormente sería degradado. Cada especie bacteriana posee sus propias endonucleasas de restricción, capaces de reconocer el ADN por sitios específicos (dianas), consistentes en cortas secuencias de 4-6 pares de bases sobre las que la enzima actúa provocando un corte. Una propiedad muy interesante de muchas endonucleasas de restricción es el hecho de que el corte no se realiza al mismo nivel en las dos cadenas, sino que quedan unos extremos de cadena simple complementarios en cada uno de los extremos de rotura. De esta forma, si ambos extremos se reencuentran, pueden volver a unirse. El tratamiento de cualquier tipo de ADN con una misma endonucleasa de restricción provoca siempre los mismos extremos, ofreciendo la posibilidad de su unión independientemente de su procedencia.

Los investigadores Werner Arber, Hamilton Smith y Daniel Nathans (Premios Nobel de Medicina en 1978) desarrollaron las aplicaciones de las enzimas de restricción para aislar secuencias de genes, que después podían ser unidas de forma artificial en el mismo o diferente orden, fueran o no de la misma especie.

Entre los posibles beneficios de los alimentos transgénicos es posible mencionar: Alimentos más nutritivos, alimentos más apetitosos, plantas resistentes a la sequía y a las enfermedades, que requieren menos recursos ambientales, menos uso de pesticidas y un crecimiento más rápido en plantas...

La ingeniería genética explota la capacidad de transformar un organismo vivo mediante la incorporación a su genoma de uno o más genes procedentes de otro organismo, con la idea de que se exprese, en el momento y al nivel adecuado, es decir, que fabrique una proteína que de algún modo satisfaga las necesidades de aplicación deseadas. El procedimiento básico que se ideó desde un principio fue el de transformar un organismo deficiente en algún carácter genético, mediante la introducción del gen adecuado en su genoma. Los propósitos son muy diversos, pero fundamentalmente se refieren a la obtención de productos proteicos propios de un organismo en otro con fines industriales, farmacológicos, para mejorar especies vegetales cultivadas o animales domésticos, terapéuticos, etc.

Pasos principales de la Ingeniería Genética

En el proceso de la ingeniería genética hay cuatro pasos esenciales:

1. La preparación del ADN transformante, mediante la rotura y reunión de moléculas de ADN de fuentes diferentes.
2. La inclusión del ADN transformante en un vector que permita su replicación conjunta (clonación de ADN).
3. La introducción del ADN transformante en una célula receptora funcional.
4. La selección de las células que llevan el ADN transformante.

El proceso exige extraer el ADN de un organismo donante, cortarlo en fragmentos que contengan el gen o genes de interés y clonarlo, es decir, obtener múltiples copias para su ulterior manipulación. La clonación de secuencias suele hacerse mediante su inserción en un vector adecuado, consistente en una molécula de ADN capaz de replicarse autónomamente.

No se debe confundir el término clonar con su acepción referida a clones de células o de individuos, que significan la producción intencionada de células, tejidos, embriones o individuos que tienen la misma información o identidad genética.

Las técnicas de manipulación y clonación genética se pusieron a punto en bacterias y después se ensayaron con éxito en otros organismos superiores. Hay que recordar que en genética clonar significa obtener copias genéticamente idénticas. Referidas a un gen o a una secuencia de ADN, se entiende por clonar obtener copias del fragmento del genoma de que se trate.

Los sistemas ideales de clonación de ADN son los llamados plásmidos^.. Estos elementos genéticos consisten en unos anillos de ADN de doble hélice que poseen las bacterias y otros microorganismos como genomas secundarios. Son de tamaño variable aunque menor que el del genoma principal, y se replican independientemente. Estos anillos, una vez aislados y en manos de los investigadores, pueden abrirse mediante un corte provocado con una endonucleasa de restricción para insertar en el lugar de corte la secuencia del ADN foráneo.

Luego de realizar el procedimiento pueden volver a cerrarse mediante una ligasa. Los plásmidos portadores del inserto son reintroducidos en las bacterias y allí se replican y se transmiten a las bacterias descendientes, funcionando a modo de vehículos de los genes del donante. Se aprovecha el hecho de que los plásmidos son portadores de genes que confieren resistencia a antibióticos para saber si se produjo la inserción del ADN extraño y si la bacteria lo ha hecho suyo.

La detección de las bacterias que han incorporado plásmidos que transportan el ADN objeto de clonación, se logra utilizando plásmidos portadores de dos genes de resistencia a antibióticos, de tal modo que la enzima de restricción corte específicamente por el interior de uno de ellos, cuya función se pierde inmediatamente al quedar interrumpida la información del gen de resistencia por la intrusión del inserto, sin afectar al segundo gen. Estos genes se utilizan como marcadores para conocer si la operación de la transferencia del gen de interés ha tenido éxito.

Después de la transformación, las células bacterianas se siembran sobre un medio sólido nutritivo para que se desarrollen colonias individuales. Una célula bacteriana transformada con una sola molécula de ADN recombinante se multiplicará y dará lugar a una colonia de miIlones de células, todas ellas portadoras del mismo vector recombinante. Si el plásmido porta el inserto de interés, las bacterias que lo reciben solo serán resistentes a un antibiótico y podrán ser seleccionadas directamente en el medio de cultivo tras probar su capacidad de crecimiento en varios medios que se diferencien en la presencia de uno, otro o los dos antibióticos. Los genes foráneos introducidos de este modo en bacterias pueden llegar a expresarse si para ello se utilizan plásmidos especiales dotados de secuencias reguladoras y promotoras de la expresión.

Las bacterias transgénicas pueden utilizarse como factorías para la síntesis de proteínas de interés comercial o industrial, cuya obtención por otros medios resultaría difícil o imposible. Cada vez se extiende más el uso de los organismos de diseño para referirse a los OMG que incorporan características genéticas extraespecíficas, lo que constituye uno de los sectores más dinámicos y prometedores de la biotecnología de comienzos del siglo XXI. En síntesis la ingeniería genética se ha desarrollado en bacterias para muy diversos fines, entre los que se podrían citar están los siguientes:

• La producción microbiana de agentes terapéuticos (hormona del crecimiento humana, insulina humana, factores de coagulación, eritropoyetina, interferón, etc.).
• La producción microbiana de vacunas (atenuación de la virulencia de microorganismos causantes de la difteria, paperas, sarampión, viruela, etc.).
• La síntesis de productos de interés comercial (vitamina-C, aminoácidos, antibióticos, etc.).
• La biorremediación de suelos contaminados por el uso de pesticidas u otros agentes (insecticidas, disolventes, freones, etc.).

(La biorremediación consiste en el empleo de agentes biológicos para eliminar residuos tóxicos del ambiente)

• La obtención de bacterias de interés industrial (síntesis de enzimas que degradan almidón, lignocelulosa, etc.).
• La modificación de bacterias enriquecedoras del suelo para el crecimiento vegetal (fijadoras de nitrógeno).
• El incremento de la seguridad e higiene de los alimentos (bacterias del ácido láctico productoras de inhibidores del crecimiento de otras bacterias, u otras aplicaciones).

La introducción del ADN foráneo en una célula eucariótica se lleva a cabo de muy diversas maneras, entre las que se incluyen la transformación, la inyección, la infección viral, o el bombardeo con partículas de un metal pesadorecubiertas de ADN (método conocido como biolística).

Sí bien las técnicas de manipulación genética se pusieron a punto en bacterias, actualmente se utilizan de forma rutinaria en organismos superiores. Los organismos eucariotas tienen genomas más grandes y más complejos que las bacterias, por lo que ha sido necesario buscar nuevas técnicas que permitieran manejar mayor cantidad de ADN en distintos tipos celulares. Lo habitual es que por su mayor facilidad, los genes eucarióticos se clonen y mantengan en hospedadores bacterianos, como paso previo a su utilización para obtener un eucariota transgénico.

La posibilidad de obtener organismos modificados genéticamente en plantas o animales, o su aplicación para terapia génica en el hombre, ha exigido el desarrollo de métodos de detección más complejos que en las bacterias. A veces, es difícil detectar la actividad de un gen particular en el tejido donde normalmente ejerce su actividad. Para facilitar este trabajo se ha desarrollado la tecnología del gen delator.

Para utilizar dicha tecnología se une un gen denominado delator, cuyo producto de expresión sea fácilmente detectable, a la región promotora del gen transformante. El promotor es una región que se encuentra aguas arriba de la región codificante del gen y que es fundamental para la expresión de este, por ser el lugar de reconocimiento de los factores y enzimas que participan en la transcripción del ARN mensajero. La presencia del producto de expresión del gen delator denunciará que en las células receptoras también está presente el gen transformante de interés al que acompaña.

Por otra parte, debido a que las plantas, animales y hongos constituyen una parcela importante de la economía, su transformación por ingeniería genética puede conducir a la modificación de aspectos de su explotación, incluyendo nuevas utilidades no ensayadas o imposibles de abordar hasta ahora mediante métodos naturales de recombinación. En las especies vegetales, se trata de conferir a la planta modificada genéticamente la capacidad de:

• Sintetizar de forma constitutiva algún producto para mejorar su resistencia a plagas de insectos o malas hierbas.
• Mejorar sus características agronómicas.
• Mejorar su calidad, o la influencia planta-ambiente.
• Obtener mejores productos de interés industrial.

• Se ha sintetizado maíz, soja u otras especies cultivadas con resistencia a insectos.
• Patatas y plátanos portadores de vacunas contra la hepatitis, cólera o malaria, etc.
• También se ha logrado obtener especies vegetales portadoras de vitaminas antioxidantes para la prevención del cáncer o afecciones cardíacas.

Tal vez, el caso más claro de los beneficios de esta tecnología lo presenta el caso del arroz dorado, obtenido por el investigador suizo Ingo Potrykus y su equipo en la Universidad de Zurich. Se trata de un tipo de plantas transgénicas portadoras de un precursor de la Vitamina A que supone la erradicación de una avitaminosis endémica en países pobres del Tercer Mundo.

En cuanto a los animales domésticos, se pueden señalar finalidades similares. Es interesante, por ejemplo:

• La obtención de ovejas u otras especies que convenientemente modificadas son capaces de aportar determinadas proteínas de importancia farmacológica en la leche.
• Tanto en plantas como en animales, mejorar la resistencia a factores limitantes de su desarrollo conlleva mejorar la producción.
• Aumentar el abastecimiento de alimentos a una población humana en continuo crecimiento.

Terapia génica

Una aplicación de especial interés para la salud humana es la de la terapia génica. Es decir, la introducción de genes en el genoma humano con el objetivo de reemplazar o complementar a los genes que estuviesen alterados en el genoma individual de una persona afectada por una enfermedad genética, compensando así la deficiencia funcional determinante de una patología.

Esta es una de las vertientes más prometedoras de las aplicaciones del Proyecto Genoma Humano y en la que están depositadas las esperanzas para un catálogo amplio de enfermedades, siendo más abordables por el momento las debidas a genes simples que a otras más complejas.

Cuando empezaron a utilizarse las técnicas de obtención del ADN recombinante surgió un movimiento crítico muy fuerte debido el elevado grado de incertidumbre en la predicción de los resultados experimentales. El empleo de los sistemas de bombardeo, según el cual los genes transformantes eran canalizados por plásmidos, para su integración de forma incontrolada en el genoma de las bacterias, causó reparos justificados. Era lógico asociar el nivel de incertidumbre con un grado igual o superior de riesgo. De este modo, Annie Cohen y Stanley Chang, promotores de las técnicas de ADN recombinante en bacterias, reconocieron el riesgo y exigieron, para sus experimentos y los de otros colegas, unas restricciones en el uso de los plásmidos de modo que

“...no se usaran para introducir ADN procedente de virus tumorales o de genes de resistencia a antibióticos en bacterias que no poseyeran ya estos sistemas en la naturaleza” (Wade, 1979)

En el año 1975 un importante grupo de científicos, incluyendo al Premio Nobel de Medicina George Wald y otros genéticos moleculares, pidieron una moratoria en la investigación del ADN recombinante en una reunión que tuvo lugar en la localidad californiana de Asilomar. La conferencia de Asilomar, difundida a la prensa, concluyó con una serie de directrices muy restrictivas de modo que el trabajo con ADN recombinante se convirtió en algo prácticamente prohibido.

En julio de 1980, Donald Frederickson, director del National Institute of Health de los EE.UU., emitió unas normas de seguridad que aliviaron y eliminaron la mayor parte de las restricciones existentes sobre la investigación con el ADN recombinante.

Con posterioridad, la prohibición ha ido cediendo en la medida en que se han mejorado los controles de seguridad y se ha abierto el campo de las potenciales y ventajosas aplicaciones biotecnológicas. En los países más avanzados, la obtención de organismos manipulados genéticamente está sujeta a la aceptación por Comités de Bioseguridad, que juzgan los objetivos de los proyectos dentro de unas normas desarrolladas al efecto. Aun así, hay quien se opone a la obtención de los organismos transgénicos por diversas razones y proponen un retorno a las prácticas agrícolas y ganaderas ecológicas.

Lamentablemente, el romanticismo de sus argumentos choca con la necesidad de alimentar a una población cercana a los ocho mil millones de seres humanos y en esto no es posible dar una vuelta atrás. Los argumentos negativos de carácter ético, de seguridad, económico, tecnológico o filosófico, con que a menudo se critica la obtención de los transgénicos, se oponen a un cierto avance científico-tecnológico que ofrece la posibilidad de solucionar múltiples problemas de contaminación ambiental, salud y alimentación, que es necesario encarar a comienzos del siglo XXI. Existe ciertamente una responsabilidad de situar la investigación y la tecnología del presente en la perspectiva apropiada, dentro de unas normas morales que permitan los avances científicos y restrinjan las aplicaciones tecnológicas inseguras o demasiado arriesgadas para la salud del hombre, otros seres vivos o el equilibrio de la naturaleza.

La Sociedad Española de Genética (SEG) en una declaración en 2002 se refirió a los organismos modificados genéticamente en los siguientes términos:

"La SEG defiende que la obtención y experimentación con estos nuevos materiales es absolutamente necesaria para el avance en los campos básicos y aplicados correspondientes. En una reunión de finales de 2004, esta sociedad emitió un informe en el que se indica que El debate sobre la aceptación de los alimentos transgénicos debe incluir aspectos científico‑tecnológicos, además de socio‑políticos, económicos, culturales y morales. Este debate debe abrirse a la sociedad, en atención a la diversidad de cuestiones implicadas en la discusión y toma de decisiones."

Otras voces

• Genoma humano

Texto de referencia

• Jouve de la Barreda, Nicolás (Mayo 2012). «Voz:Ingeniería genética». Simón Vázquez, Carlos, ed. Nuevo Diccionario de Bióetica (2 edición) (Monte Carmelo). ISBN 978-84-8353-475-5.

Bibliografía

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• Ye, Xudong; Andreas, Andreas; Lucca, Paola; Potrykus, Ingo; Zhang, Jing; Beyer, Peter; Al-Babili, Salim. 

• Engineering the Provitamin A (Carotene) Biosynthetic Pathway into (Carotenoid-Free) Rice Endosperm. Science. 2000. pp. 303-305.