Ingeniería genética

Clonación. ADN (Ácido Desoxirribonucleico) recombinante. PGH (Proyecto Genoma Humano). Terapia Génica

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INGENIERÍA GENÉTICA Y MEDICINA

Las biotecnologías, y muy en especial la ingeniería genética, encuentran un amplio y alentador campo de aplicación en la medicina. De ello ha resultado la creación de una especialidad, la biomedicina, cuyo objetivo es el tratamiento de las enfermedades mediante determinadas síntesis de la estructura genética del paciente.

La posibilidad de inducir la síntesis de determinada proteínas (por ejemplo anticuerpos) a partir de procedimientos de ingeniería genética y de la información contenida en genoma de las células del individuo, permitirá sin duda la creación de vacunas, facilitará los procesos diagnósticos y logrará la síntesis de sustancias de extrema importancia, por ejemplo, la molécula de la insulina en los diabéticos.

Asimismo, la biomedicina aparece en la actualidad como el único campo alentador para el tratamiento de las enfermedades genéticas, hasta el momento imposibles de combatir de una forma etimológica.

1. - ¿Qué es la Ingeniería genética?

Método que modifica las características hereditarias de un organismo en un sentido predeterminado mediante la alteración de su material genético. Suele utilizarse para conseguir que determinados microorganismos como bacterias o virus, aumenten la síntesis de compuestos, formen compuestos nuevos, o se adapten a medios diferentes. Otras aplicaciones de esta técnica, también denominada técnica de ADN recombinante, incluyen la terapia génica, la aportación de un gen funcionante a una persona que sufre una anomalía genética o que padece enfermedades como síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) o cáncer.

La ingeniería genética consiste en la manipulación del ácido desoxirribonucleico, o ADN. En este proceso son muy importantes las llamadas enzimas de restricción producidas por varias especies bacterianas. Las enzimas de restricción son capaces de reconocer una secuencia determinada de la cadena de unidades químicas (bases de nucleótidos) que forman la molécula de ADN, y romperla en dicha localización. Los fragmentos de ADN así obtenidos se pueden unir utilizando otras enzimas llamadas ligasas. Por lo tanto, las enzimas de restricción y las ligasas permiten romper y reunir de nuevo los fragmentos de ADN. También son importantes en la manipulación del ADN los llamados vectores, partes de ADN que se pueden autorreplicar (generar copias de ellos mismos) con independencia del ADN de la célula huésped donde crecen. Estos vectores permiten obtener múltiples copias de un fragmento específico de ADN, lo que hace de ellos un recurso útil para producir cantidades suficientes de material con el que trabajar. El proceso de transformación de un fragmento de ADN en un vector se denomina clonación, ya que se producen copias múltiples de un fragmento específico de ADN. Otra forma de obtener muchas copias idénticas de una parte determinada de ADN es la reacción en cadena de la polimerasa, de reciente descubrimiento. Este método es rápido y evita la clonación de ADN en un vector-

  • Clonación:

Clonar es una forma de reproducción asexual que produce individuos genéticamente idénticos.

Podemos decir que hay dos métodos de clonación: natural y artificial. Un ejemplo de la primera clonación natural es el caso de los gemelos provenientes de un óvulo fecundado por un espermatozoide que en las primeras etapas de desarrollo se divide en dos individuos genéticamente idénticos

La existencia de individuos genéticamente idénticos se da en muchos sistemas biológicos, generalmente asociada a la reproducción asexual: dos plantas iguales, cuyo origen es un gajo o esqueje. También seres unicelulares, se multiplican asexualmente por simple división celular, tal sería el caso de las bacterias, las cuales el hombre usa como fines beneficiosos.

Los científicos usan las bacterias para todo tipo de estudios genéticos porque junto con los genes de la bacteria pueden clonarse otros genes.

Desde el siglo pasado se sabe como clonar plantas a partir de una única célula tomada de alguna de sus partes (hojas, tallo, raíz etc.). Sin embargo a partir de 1967 John Gurdon logra los primeros resultados experimentando con ranas, porque sus óvulos son grandes y abundantes, además de ser su reproducción externa. Pero las mismas morían antes de alcanzar el estado de renacuajo.

Luego de miles de experimentos con ratones y otros mamíferos se llega al único caso exitoso hasta 1997, la tan famosa oveja Dolly creada por Wilmut.

Dolly llegó a adulto - hasta tuvo cría - ésta fue generada a partir de una célula de adulto mientras que en experimentos anteriores se realizaba con núcleos de células juveniles. Pero se plantea hoy el problema del envejecimiento veloz de sus crías.

  • ADN recombinante:

La tecnología de DNA recombinante es una nueva ciencia que permite a los científicos aislar y reproducir secciones específicas de la hélice del DNA. Con técnicas de separación se pueden obtener secciones deseadas de la cadena del DNA, como por ejemplo el gen de la hormona de crecimiento humano, que puede ser aislado e insertado en células y de esta forma programar la célula para que produzca una proteína deseada.

Se distinguen cuatro pasos:

1. Corte del ADN, mediante las enzimas de restricción.

2. Unión de los fragmentos de ADN creados a una segunda pieza de ADN llamada vector. El resultado es un DNA recombinante que consiste de dos clases de DNA conectados uno con el otro en una pieza sencilla (muchas veces un anillo cerrado). Los vectores mas comúnmente usados son los plásmidos.

3. Introducción de la molécula recombinante a una célula huésped, que sirve como una copiadora biológica, haciendo muchas copias exactas de la molécula. La célula huésped más popular en la tecnología es la bacteria Escherichia coli.

4. Identificación de la célula con el gen deseado, utilizando anticuerpos u otros sistemas (hibridación colonial) para identificar a la proteína de interés. El resultado final es una parte oscura en una película de rayos X encima del área donde se encuentra el gene deseado.

Mediante la tecnología del ADN recombinante es posible introducir nuevos genes dentro de una cadena de ADN.

  • Enzimas de restricción:

Las enzimas de restricción, que son producidas por varios tipos de bacterias, reconocen secuencias específicas de ADN e interrumpen la doble cadena donde aparece dicha secuencia. El tratamiento del ADN de dos organismos diferentes con la misma enzima de restricción produce fragmentos complementarios, o fragmentos con extremos que se acoplan. Estos se pueden combinar en una molécula de ADN híbrida, que si forma parte de una célula viva, expresa rasgos de ambos progenitores.

2. -LA OBTENCIÓN DE SUSTANCIAS DE INTERÉS MÉDICO.

Una de las aplicaciones más importantes de la ingeniería genética en el sector sanitario es la obtención a escala industrial de productos propios de los seres vivos que éstos fabrican en cantidades muy pequeñas, pero cuya carencia implica graves desajustes del funcionamiento del organismo.

De este modo, proteínas como la hormona del crecimiento o la insulina, que el hombre produce en cantidad apenas detectable, puede ser sintetizada por la bacteria Escherichia coli, previa manipulación genética, en una cantidad superior al 10% del total de las proteínas celulares.

Los conocimientos referentes a la expresión de proteínas mamíferos en microorganismos se han desarrollado con gran rapidez y el número de proteínas humanas producidas mediante manipulación genética de Escherichia coli va aumentando día a día en la actualidad.

La técnica utilizada para la obtención de una proteína concreta consiste en aislar el gen que esta en el origen de su síntesis, recombinarlo con un vector adecuado e introducirlo en una bacteria que siguiendo la información del gen insertado, producirá la proteína en cuestión.

  • Producción de vacunas:

Otro aspecto que tiene relación con el sector sanitario y más concretamente con la industria farmacéutica es la producción de vacunas.

La ingeniería genética ofrece nuevas alternativas. Por ejemplo: puede obtenerse químicamente el gen vírico de la Hepatitis B que determina la proteína de la cápsula, introducirlo en un vector apropiado (en general un plásmido) e inyectarlo en levaduras que sintetizan la proteína vírica en ausencia del virus y, por lo tanto, sin riesgo de infección. Actualmente están siendo investigadas algunas vacunas como las de la hepatitis B, el herpes, la malaria, la caries dental, la rabia o el cólera.

Otra vía de interés, aunque todavía en fase de investigación, consiste en manipular genéticamente el virus conocido como “ virus de la vacuna”. Se trata de un agente vírico que a perdido in vitro la capacidad infecciosa pero conserva la de inmunizar contra la viruela. En el proceso de manipulación se le introducen genes que codifican proteínas de otros virus, por ejemplo, de la hepatitis B, de este modo que el paciente adquirirá inmunidad no solo contra la viruela, sino también contra la hepatitis cuando se la administre el virus manipulado. Se están efectuando intentos para conseguir una vacuna universal insertando asta veinte genes extraños en el genoma del virus viccinia y conseguir de ese modo que una sola vacuna inmunice contra un amplio conjunto de enfermedades.

  • Anticuerpos quiméricos:

Este tipo de anticuerpos merece mención especial dentro del apartado de la obtención de fármacos. En la estructura de cualquier anticuerpo se distingue una parte variable, donde reside su especificidad, y una parte constante con funciones no relacionadas con la especificidad. El método de elaboración de anticuerpos contra un antígeno consiste en inyectar éste animal de laboratorio. El organismo inyectado fabrica anticuerpos que, una vez purificados, podían utilizarse para proteger una persona, previa administración de los mismos. Pero, por desgracia, un anticuerpo elaborado por una especie que no sea la propia presenta suficientes diferencias respecto a ésta como para que el receptor lo reconozca como componente extraño y lo ataque.

La ingeniería genética hace posible fundir ambos tipos de anticuerpos de manera que el del animal de laboratorio aporte la porción variable y, por la tanto, la especificidad de actuación. El organismo humano, por su parte, contribuiría con la porción constante y se evitarían de este modo los problemas de rechazo. Se conocen ya algunos de los resultados exitosos.

Pero todavía hay más: recientemente se ha sustituido la porción variable de un anticuerpo quimérico por una enzima (la nucleasa de estafilococos) que destruye a las células con las que establece contacto. Imaginemos que el enzima que se incorpore sea específico para determinadas células, por ejemplo, las tumorales. Ello significaría que tendríamos en la mano un arma múltiple y de gran potencialidad para destruir de modo específico distintos agentes de la enfermedad.

  • Diagnóstico y tratamiento de las enfermedades humanas:

Las técnicas de diagnóstico precoz disponibles en la actualidad (amniocentésis, cultivo de células amnióticas, análisis de sangre fetal) no son aplicables hasta el quinto mes de embarazo, cuando ya es demasiado tarde para proponer un aborto terapéutico sin complicaciones.

En el campo del diagnóstico precoz y del tratamiento de enfermedades humanas, la ingeniería genética ha hecho grandes progresos a través de dos procedimientos básicos: La tecnología del ADN recombinante y los anticuerpos monoclonales.

  • Sondas de genes:

Se trata de fragmentos de ADN mediante los cuales se detecta la presencia de genes con secuencias complementarias a las de las sondas. Para obtener una sonda, se aísla el ARN mensajero que se forma como intermediario entre el gen y la proteína cuya síntesis codifica y se transcribe a ADN, de forma que los nucleótidos que se añaden al medio para obtener este ADN están marcados radiactivamente. De esta manera se consigue señalizar adecuadamente el ADN obtenido.

Las sondas resultan de gran utilidad para seleccionar entre una gran cantidad de fragmentos de ADN el correspondiente al gen que se quiere identificar.

La utilización de sondas permitirá obtener el perfil genético de una célula y este conocimiento proporciona, a su vez, información muy precisa de los cambios celulares a medida que avanza la enfermedad, lo cual es de vital importancia para su tratamiento. En el campo del diagnóstico precoz, las sondas permiten detectar en el feto deficiencias hereditarias con la suficiente antelación como para proponer un aborto terapéutico.

  • Anticuerpos monoclonales:

Cesar Milstein y Georges Köhler obtuvieron en 1975 un tipo de anticuerpos denominados monoclonales, caracterizados por su gran especificidad y por su reacción con un solo antígeno. La obtención de estos compuestos fue posible gracias a la fusión in vitro de dos células de ratón: la primera, extraída de la bilis, se encarga de producir el anticuerpo deseado, y la segunda es una célula cancerosa que con su capacidad ilimitada de reproducción asegura la perpetuación del cultivo de forma prácticamente indefinida. La célula resultante, o hibridoma, produce grandes cantidades de anticuerpo. La denominación de monoclonal para este tipo de anticuerpos procede de su fabricación que a medida que se divide produce un gran número de hibridomas idénticos.

Gracias a estos anticuerpos ha sido posible aislar un buen número de antígenos concretos y proceder a su estudio. Esto no solo tiene importancia porque mejora el tratamiento de determinadas enfermedades infecciosas sino, sobre todo, porque permite conocer mejor la naturaleza de la superficie celular, la membrana, que es el lugar de reconocimiento entre antígeno y anticuerpo.

Las posibilidades de utilización de los anticuerpos monoclonales en un futuro inmediato son muy numerosas. Así, la información que nos suministra acerca de la estructura de los antígenos permitirá construir los genes que fabriquen los anticuerpos que les hagan frente de manera específica. Una vez obtenidos los genes pueden clonarse en Escherichia coli disponer de los anticuerpos para incorporarlos a las vacunas deseadas.

Uno de los principales inconvenientes deriva del rechazo que este tipo de anticuerpos puede provocar ya que proceden de hibridomas obtenidos a partir de células de ratón. Esta limitación es especialmente seria en tratamientos prolongados como los que se requieren para combatir el cáncer.

  • Terapia génica:

El páncreas de un diabético no fabrica suficiente insulina y, por tanto, es incapaz de regular la cantidad de glucosa en sangre. La incapacidad para la síntesis de insulina se debe a que el gen que se ocupa del control de su secreción es defectuoso. Así pues, si se conoce qué gen es el defectuoso y cómo debe ser el gen correcto, y si se puede manipular el ADN, ¿por qué no plantearse cambiar defectuoso por el normal? Esta es la pregunta que se formula la terapia genética, esto es, el conjunto de técnicas que permiten sustituir uno, o más genes defectuosos del patrimonio genético de un organismo por genes normales.

Muchas enfermedades hereditarias humanas, más de un millar de las aproximadamente tres mil quinientas descritas, son debidas a defectos en un único gen.

Cuando el individuo sufre una enfermedad genética, la primera operación que debe realizarse es construir una biblioteca de todo el conjunto de su material hereditario. Para ello es necesario trocear los genes con enzimas de restricción, tan indispensables para un ingeniero genético como las tijeras para un cirujano, y clonarlos con el fin de disponer de un gran número de copias que permitan su consiguiente estudio. En la actualidad es posible preparar una biblioteca semejante en una semana. A partir de entonces se debe utilizar las sondas características de la enfermedad que se quiere localizar, para buscar dentro de una muestra de ADN del paciente una cadena que se adapte a ellas.

Se han iniciado diversos ensayos clínicos de terapia genética somática celular destinados al tratamiento de cánceres o enfermedades sanguíneas, hepáticas, o pulmonares.

  • Beneficios :

La ingeniería genética tiene un gran potencial. Por ejemplo, el gen para la insulina, que por lo general sólo se encuentra en los animales superiores, se puede ahora introducir en células bacterianas mediante un plásmido o vector. Después la bacteria puede reproducirse en grandes cantidades constituyendo una fuente abundante de la llamada insulina recombinante a un precio relativamente bajo. De esta forma, la producción de insulina no depende del variable suministro de tejido pancreático animal. Otra aplicación importante de la ingeniería genética es la fabricación de factor VIII recombinante, el factor de la coagulación ausente en pacientes con hemofilia. Casi todos los hemofílicos que recibieron factor VIII antes de la mitad de la década de 1980 han contraído el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) o hepatitis por la contaminación viral de la sangre utilizada para fabricar el producto. Desde entonces se realiza la detección selectiva de la presencia de VIH (virus de la inmunodeficiencia humana) y virus de la hepatitis C en los donantes de sangre, y el proceso de fabricación incluye pasos que inactivan estos virus si estuviesen presentes. La posibilidad de la contaminación viral se elimina por completo con el uso de factor VIII recombinante. Otros usos de la ingeniería genética son el aumento de la resistencia de los cultivos a enfermedades, la producción de compuestos farmacéuticos en la leche de los animales, la elaboración de vacunas, y la alteración de las características del ganado.

  • Riesgos:

Mientras que los beneficios potenciales de la ingeniería genética son considerables, también lo son sus riesgos. Por ejemplo, la introducción de genes que producen cáncer en un microorganismo infeccioso común, como el influenzavirus, puede ser muy peligrosa. Por consiguiente, en la mayoría de las naciones, los experimentos con ADN recombinante están bajo control estricto, y los que implican el uso de agentes infecciosos sólo se permiten en condiciones muy restringidas. Otro problema es que, a pesar de los rigurosos controles, es posible que se produzca algún efecto imprevisto como resultado de la manipulación genética.

3. - Aplicaciones en agricultura y ganadería:

Recurso contra la hambruna, o prédica interesada de la industria alimentaria, la biotecnología suscita todo orden de discusiones, especialmente en lo que concierne a los productos transgénicos: su repercusión en la salud, en el medio ambiente, y en la viabilidad de los agricultores con menos posibles. La distribución de productos agrícolas y ganaderos sometidos a manipulación genética se eleva, por detrás de las aplicaciones biotécnicas en el ámbito de la medicina, al segundo puesto en el mercado mundial. Empresas multinacionales como Monsanto aplican el control genético tanto a plantas como a animales e inducen variedades transgénicas, sea en pro de la salud o del rápido crecimiento de los animales y de la mejoría de sus productos (carne, leche lana...); sea procurando mayores grados de supervivencia, resistencia o tolerancia de las plantaciones vegetales frente a las inclemencias del tiempo o los ataques de insectos y herbicidas. La cuestión de sí es o no sostenible la agricultura industrializada merece ser tratada con cautela

El éxito puede incrementarse mediante el refuerzo biotecnológico, previa atención a ciertos procedimientos de defensa o reclamo de que se sirven conjuntamente animales y plantas, tales como la dispersión en el aire de sustancias químicas por las plantas heridas por insectos, que atraen a los depredadores rivales de estos últimos.

De otra parte, heladas, lluvias y sequías amenazan de continuo sembrados y cosechas. Los invernaderos actúan como paliativos. Pero es la ingeniería genética la que abre grandes esperanzas al incorporar resistencias de uno u otro orden en los cultivos. Descubrir cómo toleran algunas plantas el frío, podría incluso hacer posible modificar especies subtropicales para ser cultivadas en climas más fríos. En cuanto a la calidad del suelo, pudiera ser más rentable a largo plazo la modificación de la planta que la aplicación en masa y repetida de los fertilizantes destinados a reponer el desgaste causado por la agricultura intensiva.

Por último, la agricultura molecular aspira, entre otras cosas, a convertir los organismos en biorreactores o fábricas vivientes de producción de fármacos, combustible o productos químicos. Las plantas, de por sí, generan compuestos naturales de los que se ha servido tradicionalmente la medicina, así como saborizantes, aceites, madera, etc. La ingeniería genética eleva exponencialmente la explotación de recursos al servicio de la industria. Uno de sus logros ampliamente extendidos es el de la creación de algodones con distintas propiedades. En un centro de investigación agrícola de la Columbia Británica, en Canadá, los investigadores han desarrollado una película de plástico comestible a partir de algodón y proteína de guisante y aceite de colza. Productos como éste podrían llegar a ser utilizados para empaquetar comestibles como pasta para sopa; Ello permitiría cocer el paquete entero y reducir el volumen de desperdicios. Plantas transgénicas abastecen el mercado de nuevos productos; así la colza transgénica se comporta como factoría de hirudina, coagulante segregado naturalmente por las sanguijuelas. Gallinas, cerdos, vacas y corderos, sometidos a procedimientos manipuladores, se constituyen en fuentes abundantes de proteínas derivadas al ámbito médico, a un coste de producción relativamente bajo. La clara de huevo contiene lizosima, un antibacteriano; y la yema está abastecida de anticuerpos destinados a proteger al polluelo de posibles infecciones. La biotecnología puede inmunizar a la gallina a partir de antígenos, con la seguridad de que los anticuerpos promovidos se viertan en la yema. Esta estrategia puede avanzar ahora otro paso produciendo gallinas transgénicias. A partir de genes de otras especies, estas gallinas podrán poner huevos con anticuerpos específicos correspondientes a enfermedades propias de, por ejemplo, cerdos, vacas o personas.

4. - El Proyecto Genoma Humano:

Se basa principalmente en la elaboración de un mapa genético de la especie humana; esto significa el conocimiento de la cantidad de genes sabiendo la función y ubicación de cada uno de ellos. Este proyecto consiste en la generación de aparatos de laboratorios capaces de descifrar el código en el que está escrito el mapa del ácido desoxirribonucleico (ADN) que contiene el material genético de las células. Se ha observado que la instrumentación utilizada es cada año más potente, económica y manejable, a pesar de la dificultad de encontrar un sistema de representación digital que resulte aplicable a los genes humanos.

La información que puede obtenerse es enorme. Actualmente hay un 7% de toda la información "maceada", pero hay que tener en cuenta que en los últimos años la recopilación de la misma ha aumentado, estimando su finalización para el 2005.

Uno de los beneficios que trae el manejo de estos datos es por ejemplo en Ingeniería Genética, ya que se pude "arreglar" genes que provocan las enfermedades conociendo su función, también se puede conocer el perfil biográfico de una persona a través del análisis de los genotipos.

Sin duda este proyecto es muy beneficioso para la ciencia, pero también cabe destacar el gran riesgo que hay en el mismo. Esto se debe a la importancia y el valor de la información, ya que el uso que se le podría dar no siempre sería positivo o beneficioso. Un ejemplo cotidiano: Discriminar a quien dar un empleo o a quien no; en síntesis, usarlas con fines de lucro, fines inmorales o inescrupulosos.

Luigi Cavalli-Sforza, genetista de la universidad de Standford, se dio cuenta de que muchas poblaciones aborígenes desaparecerán en poco tiempo y con ellas se perderán sus genes. Por esta razón, este genetista encabeza un movimiento científico internacional para rescatar ese patrimonio genético que desaparece día a día.

Proyecto Genoma Humano

ONU. ADOPCION DE LA DECLARACION UNIVERSAL SOBRE EL GENOMA HUMANO Y LOS DERECHOS HUMANOS ELABORADA POR LA UNESCO.

Esta Declaración se realizó con el impulso del COMITÉ INTERNACIONAL DE BIOETICA.

Intenta regular la investigación en materia de genética para determinar la obligación que tienen los países de legislar sobre estos temas.

El Comité propugna que el progreso científico y económico que pueda derivarse de los nuevos descubrimientos del mapa completo del genoma humano, cuya culminación está prevista para el año 2.003, tenga que someterse a los derechos de la persona humana.

En esta declaración:

- el genoma humano es considerado "la base de la unidad fundamental de toda la familia humana y del reconocimiento de su dignidad intrínseca y diversidad"

- establece que el genoma "en su estado natural, no puede dar lugar a beneficios pecuniarios". Esto significa que cada descubrimiento de un gen no se puede "patentar" y lucrar con ello.

LA DECLARACION SOBRE GENOMA HUMANO NO OBLIGA A LOS PAISES, SINO QUE SU ACEPTACION ES VOLUNTARIA, Y EL COMITÉ DE BIOETICA, QUE VELARA PARA QUE SE RESPETE EN TODO EL MUNDO NO TIENE PODER SANCIONADOR.

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