Ingeniería genética: técnica usos y críticas

A mediados del decenio de 1970 comenzó una revolución en el campo de la biología  con el desarrollo de la tecnología del DNA recombinante, que llevó a métodos de investigación por completo novedosos.

Las técnicas del DNA recombinante se desarrollaron inicialmente como he­rramientas que permitirían a los cientí­ficos obtener una gran cantidad de copias de cualquier segmento de DNA específico, de manera que éste pudiera estudiarse desde el punto de vista bio­químico. Ello puede hacerse ahora de varias maneras, pero la mayor parte de los métodos implican la introducción de DNA ajeno en las células de microorga­nismos (virus y bacterias). En las condiciones apropiadas, este DNA se duplica y transmite a las células hijas cuando la célula original se divide. De esta manera, una secuencia específica puede ser amplificada, o clo­nada, para producir millones de copias idénticas que pueden aislarse en forma pura.

Los estudios con secuencias de DNA clonadas han sido de inmenso valor para comprender la organización de los genes y la relación entre los genes y sus productos. De hecho, la mayor parte de nuestro conocimiento sobre las complejidades de la estructura y el control de los genes eucarióticos provienen de la aplicación de estos mé­todos.

La tecnología de DNA recombi­nante también tiene muchas aplica­ciones prácticas. Una de las áreas de estudio que avanzan con mayor rapi­dez en la actualidad es la ingeniería genética, o sea la modificación del DNA de un organismo para producir nuevos genes con nuevas característi­cas. La ingeniería genética puede asu­mir muchas formas, que van desde la producción de cepas de bacterias que generan proteínas útiles hasta el desa­rrollo de plantas superiores y anima­les que expresan genes ajenos. Se han logrado avances sin precedente en campos como farmacia, medicina y genética humana, así como en agricul­tura.

La tecnología del DNA recombinante no se desarrolló con rapidez. En realidad, comenzó con los primeros estudios sobre la genética de algunas bacterias y los virus que las infectan, los bacteriófagos (literalmente, "comedores de bacterias").

Sólo después de decenios de investigación básica y de la acumulación de amplios cono­cimientos se hizo factible la tecnología actual, y quedó disponible para los muchos científicos que ahora utilizan estos métodos.

Entre otras cosas, las bacterias han proporcionado a los investigadores enzimas especiales, conocidas como enzi­mas de restricción, las cuales cortan las moléculas de DNA sólo en lugares específicos. Además, las moléculas de DNA recombinante se introducen con mayor frecuencia en células bacterianas o bacteriófagos para que sean amplifi­cadas (o clonadas), y algunos aspectos de sus sistemas genéticos facilitan este proceso.

Las enzimas de restricción son "tijeras moleculares" que cortan el DNA en sitios específicos

Una enzima de restricción puede reco­nocer y cortar una molécula de DNA en la secuencia de bases                    5’-AAGCTT-3 (como ejemplo). Normalmente, las bacterias sólo utilizan estas enzimas como mecanismo de defensa, para atacar DNA de bacteriófagos que entran en la célula. La bacteria protege su propio DNA contra el ataque modifi­cándolo de alguna manera después de su síntesis. La pu­rificación de dichas enzimas permitió a los científicos cortar DNA cromosómico en fragmentos  más cortos de manera controlada. 

Muchas de las enzimas de restricción  utilizadas para estudios con DNA recombinante cortan secuencias palindrómicas, lo cual significa que la secuencia de bases de una cadena se lee igual que su complemento pero en sentido opuesto. (Así, el complemento de nuestro ejemplo, 5’­AAGCTT-3’ se lee 3’-TTCGAA-5’.) A1 cortar el DNA de esta manera quedan  fragmentos con extremos de cadena sencilla complemen­tarios, que se les denomina extremos adhesivos o extre­mos pegajosos, porque pueden aparearse (por enlaces de hidrógeno) con los extremos monocatenarios complementarios de otras moléculas de DNA que han sido cortados por la misma enzima. Una vez que dos moléculas se han unido entre sí de esta manera, pueden tratarse con DNA ligasa, una enzima que une en forma covalente los dos  fragmentos para formar una molécula de DNA recombi­nante estable

La mayor parte de las moléculas de DNA recombinante se aíslan y amplifican introduciéndolas en células de la bac­teria E. coli. Para aislar un fragmento específico de DNA (después de que ha sido cortado por una enzima de res­tricción), ese fragmento debe ser incorporado antes en un portador adecuado, o molécula vectora . Como vector suele emplearse el DNA de bacteriófagos o moléculas de DNA especiales llamadas plásmidos, que consisten en una pequeña molécula de DNA circular que puede duplicarse dentro de una célula bacteriana. Estos plásmidos pueden aislarse de células bacterianas en forma pura, y después introducirse en otras células por un méto­do denominado transformación , lo cual implica modificar la pared celular bacteriana para hacerla permeable a las moléculas de DNA del plásmido. Después de que un plásmido entra en una célula, se duplica y distribuye entre las células hijas durante la división celu­lar. Los plásmidos no portan genes esenciales para las células de E. coli, pero a menudo llevan unos que son útiles en determinadas condiciones ambientales, como los que confieren resistencia a antibióticos específicos.

Los plásmidos que se utilizan en la actualidad en el trabajo con DNA recombinante han sido "manipulados" extensamente para que incluyan varias características úti­les en el aislamiento y el análisis del DNA clonado.  

También se puede introducir DNA recombinante en células de organismos superiores. Por ejemplo, en células de mamífero se utilizan virus reconstruidos como vecto­res. Estos virus han sido incapacitados (atenuados) y por ende ya no matan a las células que infectan; su DNA, y cualquier DNA ajeno que porten, se incorpora en los cro­mosomas de la célula por el proceso de infección normal.

Por último se han desarrollado otros métodos que no requieren un vector biológico. En ellos, el DNA se inyecta directo en el núcleo celular.

 

IMPORTANCIA Y APLICACIONES DE LOS AVANCES BIOTECNOLÓGICOS:

La tecnología de DNA recombinante no sólo ha proporcionado un nuevo y único conjunto de herramientas para examinar cuestiones fundamentales acerca de cómo fun­cionan las células vivas, sino también ha permitido abordar desde nuevas perspectivas problemas de tecnología aplicada en numerosos campos. En algunos casos, la pro­ducción de proteínas y organismos reconstruidos por in­geniería genética ha comenzado a tener un efecto consi­derable en nuestra vida. Los casos más notables son los campos de farmacia y medicina.

La insulina humana producida por E. coli fue una de las primeras proteínas que se obtuvieron por ingeniería genética en forma comercial. Antes del desarro­llo de la bacteria modificada para producir la hormona humana, la insulina se obtenía sólo de otros animales. Muchas personas diabéticas se vuelven alérgicas a la insu­lina de fuentes animales debido a que la secuencia de aminoácidos difiere ligeramente de la del ser humano. La capacidad para producir la proteína humana por métodos de DNA recombinante e ingeniería genética ha generado beneficios médicos significativos para los diabéticos.

Para superar deficiencias del crecimiento, algunos ni­ños requieren hormona del crecimiento humana produci­da por ingeniería genética. Dicha hormona se obtenía antes sólo de cadáveres, se disponía de peque­ñas cantidades, y determinados datos sugerían que algu­nos de los preparados estaban contaminados con virus. De modo similar, el factor VIII (factor de la coagulación san­guínea ausente en personas con hemofilia A). Este factor elaborado por ingeniería genética está libre del riesgo de contaminación por el virus VIH, que causa el SIDA. La lista de sustancias que pueden, producirse de esta manera no deja de aumentar.

Un paso muy importante en los avances del tratamiento de determinadas patologías sería poder introducir el gen en las propias células de los pacientes. Sin embargo existen procesos metabólicos precisos que ocurren en el interior de la propias bacterias que aún no se han podido reproducir en las células eucarioticas. Existen muchas investigaciones y adelantos al respecto

Pue­den presentarse otros problemas para la expresión de una proteína recombinante en E. coli, debido a diferencias en la forma en que las proteínas se expresan en las células procarióticas y eucarióticas.

La insulina, por ejemplo, se elabora en las células humanas a partir de un gran polipéptido que se pliega de manera específica por la formación de tres enlaces disulfu­ro  entre seis aminoácidos azufrados (estructura terciaria). Des­pués del plegamiento, partes de la proteínas son eliminadas por enzimas proteolíticas (que digieren proteína), lo cual deja la insulina en la forma de dos cadenas polipeptídicas unidas por los enlaces disulfuro.

La  E. coli carece de las enzi­mas específicas necesarias para cortar la proteína original, y no es capaz de plegar la molécula de manera adecuada. Para superar estos problemas, el gen fue reconstruido al grado de que produjera los dos polipéptidos por separado. Las proteínas recombinantes se purifican entonces de las células y se les permite asociarse in vitro. Este procedi­miento da por resultado un rendimiento relativamente bajo de la hormona activa, debido a que la insulina puede plegarse de distintas maneras, de las cuales sólo una pro­duce la hormona funcional. Algunos de estos problemas se han evitado al introducir el gen en células de eucariotes como levadura o de mamíferos cultivadas, que contienen la maquinaria procesadora de proteína necesaria para pro­ducir proteínas por completo funcionales.

Un avance muy importante en la ingeniería genética fue obtener organismos transgénicos.

Los organismos superiores que han incorporado genes extraños se denominan transgénicos; este término suele reservarse para plantas y animales. Con frecuencia se utilizan virus como vectores, aunque también se han empleado otros métodos como inyección directa de DNA en las células.

Una manera de reconstruir genéticamente las proteínas animales consiste en utilizar animales vivos que han incorporado un gen extraño (para su especie) para producir la proteína recombínate. Estos animales transgénicos suelen obtenerse por microinyección de DNA  de un gen específico en el núcleo de un óvulo fecundado receptor. Los óvulos se implantan después en el útero de la hembra y se permite que se desarrollen. En muchas de estas experiencias se han utilizado ratones de laboratorio, cuyas descendencias  adquieren las características específicas para el gen que se investiga.

Ya se ha demostrado que la descendencia transgénica tiene valiosas aplicaciones de investigación en una amplia gama de estudios. Entre éstos se incluyen regulación de la expresión génica, funcionamiento del siste­ma inmunitario, enfermedades genéticas y virales, y genes causantes del desarrollo de cáncer.

Se han utilizado animales transgénicos para desarro­llar cepas que secreten proteínas importantes en la leche. Por ejemplo, se ha introducido en ratones transgénicos el gen para el activador del plasminógeno tisular, una proteína que disuelve los coágulos que causan los ataques cardiacos, y en forma semejante el gen para un factor de la coagulación sanguí­nea humana, en ovejas. Estos genes recombinantes se han fusionado en las secuencias reguladoras de los genes para las proteínas lácteas y, por lo tanto, sólo se activan en tejidos mamarios que tienen relación con la producción de leche. La ventaja de producir la proteína en la leche es que se obtiene en grandes cantidades y puede obtenerse sim­plemente al ordeñar al animal. La proteína se purifica después de la leche.

Los animales no son dañados por la introducción del gen y, dado que la progenie del animal transgénico suele producir también la proteína recombinante, es posible establecer cepas transgénicas simplemente criando los animales.

Las plantas han sido cruzadas en forma selectiva durante miles de años. El éxito de tales trabajos depende de la presencia de rasgos deseables en la variedad de planta que se selecciona o en plantas silvestres o domésticas estrecha­mente relacionadas cuyos rasgos pueden ser transferidos por cruzamiento.

Sin embargo la utilización de la ingeniería genética y especialmente las plantas transgénicas son cada vez más importantes en la agricultura permitiendo cualidades muchos más específicas y en menor tiempo.

Si en una planta se introducen genes de cepas o espe­cies con las que ordinariamente no se cruza, las posibilida­des de mejoramiento se elevan en gran medida. Los gene­tistas de vegetales ahora disponen de fondos de investiga­ción debido al potencial económico de los rendimientos mejorados. Además, es posible que estos especialistas ten­gan mayor libertad de experimentar con nuevas técnicas que quienes trabajan con animales, debido a que la mani­pulación de genes vegetales no suele implicar el mismo tipo de consideraciones éticas.

 

CUESTIONAMIENTOS Y CRÍTICAS A LA INGENIERÍA GENÉTICA.

Las personas que han experimentado las aplicaciones directas de la tecnología de DNA recombínate en la actualidad sin duda estarán de acuerdo en que estos desarrollos han sido importantes y beneficiosos. Sin embargo, en el dece­nio de 1970, cuando se introdujo la nueva tecnología, muchos científicos consideraron que los abusos potencia­les serían cuando menos igualmente significativos. La posibilidad de que un organismo con efectos indeseables sobre el ambiente se produjera de manera accidental era una preocupación. Cepas por completo nuevas de bacte­rias u otros organismos, con los cuales el mundo no había tenido experiencia, serían difíciles de controlar. Esta posi­bilidad fue reconocida por quienes desarrollaron los mé­todos de DNA recombinante, y los llevó a insistir en el establecimiento de normas estrictas para hacer segura la nueva tecnología.

La historia reciente no ha confirmado estas preocupa­ciones. En miles de universidades y laboratorios industriales se han realizado durante los últimos años manipula­ciones de DNA de manera segura. Una de las principales preocupaciones, la liberación accidental al ambiente de cepas bacterianas de laboratorio con genes peligrosos, ha resultado infundada. Las cepas de laboratorio de E coli están en desventaja respecto de las cepas silvestres del mundo exterior, y mueren con rapidez. Los experimentos que se cree conllevan riesgos poco comunes se realizan en instalaciones especiales diseñadas para impedir el escape de organismos patógenos peligrosos, lo cual permite a los investigadores trabajar de manera segura con éstos. Los temores de clonar accidentalmente un gen peligroso o de liberar un organismo dañino en el ambiente parecen haber pasado. Sin embargo, esto no significa que no sean posibles las manipulaciones intencionales de genes peligrosos.

En la actualidad, muchos científicos reconocen la im­portancia de la tecnología de DNA recombinante y con­cuerdan en que la amenaza percibida para el ser humano y el ambiente se había sobreestimado. Muchas de las nor­mas restrictivas para el uso de DNA recombinante se han relajado una vez confirmada la seguridad de los experi­mentos. Sin embargo, aún existen fuertes restricciones en algunas áreas de la investigación sobre DNA recombinan­te en que se sabe que hay peligro, y aún hay preguntas sin responder acerca de los posibles efectos sobre el ambiente. Estas restricciones son más evidentes en la investigación que propone introducir organismos recombinantes en el medio natural, como cepas agrícolas de plantas cuyas semillas o polen pueden dispersarse de manera incontro­lada.

Ahora se realiza investigación muy activa para deter­minar los efectos de introducir organismos recombinantes en un ambiente natural; dentro de pocos años (aunque tarde) sabremos mejor si en realidad existen tales peligros.