Biotecnología
La biotecnología ha sido utilizada por el hombre desde los comienzos de la historia en actividades tales como la preparación del pan y de bebidas alcohólicas o el mejoramiento de cultivos y de animales domésticos.
Procesos como la producción de cerveza, vino, queso y yogurt implican el uso de bacterias o levaduras con el fin de convertir un producto natural como la leche, en un producto de fermentación más apetecible como el yogurt.
En términos generales biotecnología se puede definir como el uso de organismos vivos o de compuestos obtenidos de organismos vivos para obtener productos de valor para el hombre.
La biotecnología moderna está compuesta por una variedad de técnicas derivadas de la investigación en biología celular y molecular, las cuales pueden ser utilizadas en cualquier industria que utilice microorganismos o células vegetales o animales.
Es la aplicación comercial de organismos vivos o sus productos, la cual involucra la manipulación deliberada de sus moléculas de DNA.
Por tanto, podemos decir que la biotecnología abarca desde la biotecnología tradicional, muy conocidas y establecidas, y por tanto utilizadas, como por ejemplo la fermentación de alimentos, hasta la biotecnología moderna, basada en la utilización de las nuevas técnicas del DNA recombinante (ingeniería genética), los anticuerpos monoclonales y los nuevos métodos de cultivo de células y tejidos.
La biotecnología no es nueva, sus orígenes se remontan a los albores de la historia de la humanidad. Nuestros ancestros primitivos iniciaron, hace miles de años durante la Edad de Piedra, la práctica de utilizar organismos vivos y sus productos.
La biotecnología es un término que se ha dado a la evolución y recientes avances de la ciencia de la genética. Esta ciencia se originó hacia finales del siglo XX con el trabajo de Gregor Joham Mendel.
La historia realmente se inicia con las investigaciones de Charles Darwin, considerado como el padre de la biología moderna, que concluyó que las especies no son fijas e inalterables, sino que son capaces de evolucionar a lo largo del tiempo, para producir nuevas especies.
La explicación de esta evolución, según sus observaciones, se basaba en que los miembros de una determinada especie presentaban grandes variaciones entre ellos, unos estaban mas acondicionados al ambiente en que se encontraban que otros, lo que significaba que los más aptos producirían más descendencia que los menos aptos.
Este proceso es conocido como selección natural, y suponía la modificación de las características de la población, de manera que los rasgos mas fuertes se mantendrían y propagarían, mientras que los menos favorables se harían menos comunes y acabarían desapareciendo
El monje Gregor J. Mendel (1822-1884), trabajaba en el jardín de su monasterio en Austria sin ser consciente de la importancia de sus estudios. Mendel eligió como material de estudio una planta común, el guisante (pisum sativum).
Esta planta es de fácil obtención y cultivo, hemafrodita y por tanto con capacidad para autofecundarse, ofreciendo asimismo la posibilidad de realizar fecundaciones cruzadas entre distintas variedades, muy numerosas en el guisante y fácilmente distinguibles.
En sus estudios, en lugar de analizar la transmisión global de las características de la planta, prestó atención a un solo rasgo cada vez, permitiéndole seleccionar determinados aspectos de la planta que presentaban alternativas claramente diferenciables, como por ejemplo la forma de la semilla (rugosa/lisa) o su color (amarilla/verde).
En 1866 publicó los resultados de sus experiencias llevadas a cabo durante 7 años en el jardín de su monasterio de los agustinos, los cuales permitieron superar las antiguas concepciones sobre la herencia que aún prevalecían en su época, según las cuales los caracteres se transmitían de padres a hijos a través de una serie de fluidos relacionados con la sangre, al mezclarse las sangres en la descendencia, los caracteres de los progenitores se fusionaban y no podían volver a separarse.
Mendel expuso una nueva concepción de la herencia, según la cual los caracteres no se heredan como tales, sino que solo se transmitían los factores que los determinaban. Su estudio del comportamiento de los factores hereditarios se realizaba, con total intuición, 50 años antes de conocerse la naturaleza de estos factores (posteriormente llamados genes).
A pesar de que describió el comportamiento esencial de los genes, sus experimentos no revelaron la naturaleza química de las unidades de la herencia, hecho que ocurrió hacia la mitad del siglo XX e involucró muchos trabajos de diferentes científicos de todo el mundo, durante varias décadas.
Los ejemplos más antiguos que pueden considerarse como procesos biotecnológicos son la obtención de la cerveza, el vino y otras bebidas alcohólicas. Muchas civilizaciones del pasado descubrieron que el azúcar y las materias primas azucaradas podían sufrir transformaciones espontáneas que generaban alcohol.
El proceso fue controlado gradualmente, hasta que en el siglo XIX el químico francés Louis Pasteur demostró que la fermentación estaba producida por microbios. Pasteur demostró también que otros microorganismos, diferentes en apariencia, eran responsables de otros procesos, como la producción de vinagre.
El trabajo de Pasteur no sólo revolucionó la tecnología de la elaboración de la cerveza y el vino, excluyendo microorganismos que pudieran contaminar el proceso de fermentación y causar grandes pérdidas, sino que demostró también que había otros productos que podían ser obtenidos en la industria gracias a la intervención de los microorganismos. Uno de estos productos fue la acetona, un disolvente utilizado para la fabricación de pólvora explosiva.
Durante la I Guerra Mundial, el químico y posteriormente primer presidente de Israel, Chaim Weizmann, verificó que la acetona era producida por la bacteria Clostridium acetobutylicum.
No sólo los microorganismos y las plantas pueden ser modificados genéticamente, sino que también se pueden introducir genes en embriones animales fecundados. Un ejemplo lo constituye la obtención de leche de oveja con alfa-1-antitripsina, utilizada para el tratamiento del enfisema pulmonar, gracias a la incorporación en el animal del gen humano que codifica esta enzima.
Esta misma metodología se ha empleado en ovejas que producen leche con el factor IX sanguíneo, que es requerido por las personas que padecen hemofilia. Actualmente, se han introducido diversos genes en ovejas y cerdos que les confieren resistencia a diversas enfermedades, mejoran la producción de lana o incrementan su tasa de crecimiento.
La biotecnología animal ha sido objeto de crítica por parte de grupos que luchan para la protección de los animales, ya que consideran que algunos de estos experimentos pueden tener efectos negativos sobre ellos. No obstante, los científicos defienden este tipo de trabajo ya que los animales gozan de buena salud (incluso mejor que la de los animales no manipulados) y de una calidad de vida normal.
La biotecnología animal ha experimentado un gran desarrollo en las últimas décadas. Las aplicaciones iniciales se dirigieron principalmente a sistemas diagnósticos, nuevas vacunas y drogas, fertilización de embriones in vitro, uso de hormonas de crecimiento, etc.
Los animales transgénicos como el “ratón oncogénico” han sido muy útiles en trabajos de laboratorio para estudios de enfermedades humanas.
Existen tres áreas diferentes en las cuales la biotecnología puede influir sobre la producción animal:
-El uso de tecnologías reproductivas
-Nuevas vacunas y
-Nuevas bacterias y cultivos celulares que producen hormonas.
En animales tenemos ejemplos de modelos desarrollados para evaluar enfermedades genéticas humanas, el uso de animales para la producción de drogas y como fuente donante de células y órganos, por ejemplo el uso de animales para la producción de proteínas sanguíneas humanas o anticuerpos.
Para las enfermedades animales, la biotecnología provee de numerosas oportunidades para combatirlas, y están siendo desarrolladas vacunas contra muchas enfermedades bovinas y porcinas, que en los últimos tiempos han hecho mella en estos animales.
En los últimos 7 u 8 años, la ingeniería genética, junto con métodos innovadores de manipulación genética, han promovido el desarrollo de biotecnologías basadas en animales y plantas reconstruidos genéticamente.
La transferencia de genes recombinantes a estos organismos (transgénesis), dirigidos para que se expresen en ciertos tejidos por medio de promotores específicos, permite generar proteínas recombinantes valiosas para la medicina y la agricultura.
Se han producido ovejas transgénicas que secretan alfa-anti-tripsina (utilizada en el tratamiento del enfisema) y factor de coagulación IX (para la hemofilia) directamente a través de la leche, así como cabras que secretan anticuerpos monoclonales humanos.
Para construir a estos animales transgénicos, se microinyectan huevos no fertilizados -zigotos- con genes recombinantes que se integran aleatoriamente a los cromosomas del huésped en regiones no predecibles. La expresión de los genes transferidos (transgenes) depende de la función de los sitios de integración.
El mecanismo mediante el cual se integran los transgenes a los cromosomas aún se ignora. En nuestro laboratorio hemos usado la transgénesis para investigar las peculiaridades estructurales de las zonas de integración en el genoma.
Los genes se introducen a las células por medio de fagos (virus), y hemos demostrado que los sitios de integración están altamente enriquecidos con secuencias repetitivas inversas del gene incorporado al fago. Recientemente se ha probado en varios laboratorios un método para transferir genes dirigidos hacia un cierto blanco.
Consiste en introducir los genes a las células del tronco embrionario y después inyectarlas a un blastocisto para obtener ratones quiméricos (en los que sólo algunas células portan el gene transferido). Después se cruzan los animales quiméricos y se obtienen ratones transformados con el gene dirigido en todas las células.
Más de 400 líneas de ratones se han producido en esta forma, cada una con un gene dirigido. Estos ratones son muy útiles como modelos de enfermedades hereditarias.
La eficiencia de las biotecnologías basadas en la transgénesis puede mejorar significativamente al combinarlas con la manipulación a nivel embrionario, lo que aumentaría la variedad de especies transgénicas.
Uno de los métodos más eficientes de manipulación es la separación de los embriones para producir dos animales genéticamente idénticos a partir del mismo embrión.
Estamos aplicando este método a embriones de reses para producir gemelos monocigóticos a partir de embriones separados (Figura).
Como regla, en los experimentos de transgénesis se han usado genes individuales que controlan un rasgo específico de un tejido o de una etapa. Los genes domésticos (”housekeeping”), que son los que controlan los procesos metabólicos básicos, se han usado muy rara vez. Entre estos genes están los que controlan la síntesis de aminoácidos y que son de particular interés, ya que los animales carecen de genes y de sistemas bioquímicos para sintetizar los aminoácidos esenciales.
El desarrollo de animales transgénicos que puedan sintetizar estos aminoácidos es muy atractiva. Además de lo que puede significar para la investigación básica, estos animales podrían ser de alto valor biotecnológico, ya que los aminoácidos que se encuentran en las proteínas del cereal tienen una concentración molar más baja que la que se requiere para que los animales los puedan utilizar eficientemente.
Por esta razón, se complementa actualmente la dieta de los animales con lisina y treonina producidas industrialmente (3.5 kg de lisina y 1.8 kg de treonina por tonelada de proteína).
Hemos iniciado un proyecto con el fin de transferir los genes de E. coli que codifican para treonina a animales de laboratorio (ratones) y de granja (cerdos). La biosíntesis de treonina está controlada por 5 genes que se expresan coordinadamente en E. coli.
La transferencia de este elaborado camino metabólico, por lo pronto, es imposible. Buscando superar las dificultades encontramos que, aunque existe el concepto generalizado de que los animales no poseen componentes del camino metabólico de la treonina, uno de los productos clave intermedios del sistema, la homoserina, sí existe en células humanas y animales.
Para convertir la homoserina en treonina sólo se necesitan dos enzimas, la homoserina quinasa y la treonina sintetasa, codificadas por los dos últimos genes del operón de treonina de E. coli.
Construimos plásmidos recombinantes que contienen estos genes y promotores eucariontes y los probamos en E. coli y en cultivos de células de mamífero, y demostramos que los genes sí están activos en estas células. Actualmente, estamos planeando experimentos para transferir estos genes a animales.
El uso de la Biotecnología en animales permite la mejora de las especies para la obtención de productos de alta calidad; sin embargo, no solamente deben cuidarse estos aspectos, sino también características de enfermedad o adaptación a determinados medios, que en ocasiones ponen en riesgo la viabilidad de los hatos.
Lo anterior se desprende del seminario “Genética Animal en Biotecnología y Medicina”, impartido el pasado 19 de enero por el doctor Rogelio Alonso, del departamento de Microbiología y Parasitología de la Facultad de Medicina a invitación del Departamento de Biotecnología del IIBM.
El doctor Alonso subrayó la necesidad de contar en México con un banco germoplasma autóctono que permita en un momento dado recuperar las características propias y exclusivas de los animales originarios de nuestro territorio, adaptados a las condiciones geográficas y alimentarias del medio.
Al referirse a las aplicaciones de la citogenética en animales, mencionó la posibilidad de realizar diagnóstico de alteraciones cromosómicas en poblaciones y prevenir la dispersión de cariotipos anormales. La genética clínica, a su vez, permite el estudio de enfermedades hereditarias, lo que hace posible detectar y controlar enfermedades genéticas y así evitar su diseminación.
El ponente se refirió también a algunas enfermedades moleculares en ganado que provocan importantes pérdidas económicas, como es la deficiencia de adhesión en linfocitos que se presentan en los bovinos Holstein, por una afectación del gen CD 18 beta integrina, con una frecuencia en el macho del 15 por ciento y del 6 por ciento en las hembras y que ocasiona pérdidas por 5 millones de dólares al año en los Estados Unidos; asimismo, el síndrome de estrés porcino, cuya frecuencia varía del 22 al 90 por ciento, provoca pérdidas en ese país por 200 millones de dólares anuales.
En este contexto, subrayó que existe una gran cantidad de animales con mutaciones en el mercado, que ponen en riesgo de contaminación el germoplasma nacional y que debido al desconocimiento de factores de enefermedad que en ocasiones se presentan en ganado con atractivas características productivas, los ganaderos podrían poner en riesgo sus hatos si no seleccionan cuidadosamente a los reproductores.