La insulina: punto a favor para los transgénicos

A pesar de los argumentos y posiciones en contra de los transgénicos, es innegable que la insulina es un gran éxito transgénico. Es imprescindible en algunos tipos de diabetes; y desde que se descubrió la esperanza de vida de las personas diabéticas ha aumentado más de 45 años. Por ello, conozcámosla en detalle.

RECORDATORIO DE LA INGENIERÍA GENÉTICA

La ingeniería genética permite clonar, es decir, multiplicar fragmentos de ADN y producir las proteínas para las cuales estos genes codifican en organismos diferentes al de origen. Es decir, si en un organismo hay una alteración o mutación de un gen que impide que el código genético lo traduzca a proteínas, con las técnicas del ADN recombinante se obtiene un gen sin la mutación en otro organismo. Así, es posible obtener proteínas de interés en organismos diferentes del original del cual se extrajo el gen, mejorar cultivos y animales, producir fármacos y obtener proteínas que utilizan diferentes industrias en sus procesos de elaboración. En otros términos, mediante la ingeniería genética se obtienen los famosos transgénicos.

Ofrecen muchas posibilidades en el uso industrial de los microorganismos con aplicaciones que van desde la producción recombinante de fármacos terapéuticos y vacunas hasta productos alimentarios y agrícolas. Pero, además, tienen un papel prometedor en la medicina y en la cura de enfermedades.

Y es que la consecuencia de obtener un ADN recombinante, a partir de éste, se fabricará una nueva proteína, denominada proteína recombinante. Ejemplo de esto es el caso de la insulina.

¿QUÉ ES LA INSULINA?

La insulina es una hormona producida en el páncreas y con un papel importante en el proceso metabólico. Insulina proviene del latín insulae, que significa isla. Su nombre se debe a que dentro del páncreas, la insulina se produce en las isletas de Langerhans. El páncreas está relacionado con el funcionamiento general del organismo. Se sitúa en el abdomen y está rodeado por órganos como el hígado, el bazo, el estómago, el intestino delgado y la vesícula.

Gracias a ella utilizamos la energía de los alimentos que entran a nuestro cuerpo. Y esto ocurre porque permite que la glucosa ingrese en nuestro organismo. Es así como nos proporciona la energía necesaria para las actividades que debemos realizar, desde respirar hasta correr (Video 1).

Video 1. La insulina, la glucosa y tú (video en inglés con subtítulos en castellano) (Fuente: YouTube)

¿CÓMO FUNCIONA LA INSULINA?

La insulina ayuda a la glucosa a entrar a las células, como una llave que abre la cerradura de las puertas de la célula para que la glucosa, que es el azúcar en sangre, entre y sea utilizada como energía (Figura 1). Si la glucosa no puede entrar porque no hay la llave que abra la puerta, como pasa con las personas que sufren diabetes, se acumula la glucosa en la sangre. Una acumulación de azúcar en sangre puede causar complicaciones a largo plazo. Por eso es importante que las personas diabéticas se inyecten insulina.

Figura 1. Esquema del funcionamiento de la insulina en las células (Fuente: Encuentra tu balance)

¿POR QUÉ INSULINA TRANSGÉNICA?

Primeramente, se utilizaba la insulina obtenida de animales como perros, cerdos o vacas. Pero aunque, sobre todo, la insulina de cerdo era muy similar a la humana, no era idéntica y contenía algunas impurezas. Este hecho provocaba rechazo y, en algunos casos, alergias. Además, al ser obtenida del páncreas de los cerdos, por cada páncreas sólo se conseguía insulina para el tratamiento de 3 días (a más del coste del cuidado del animal). El resultado era de bajo rendimiento y altos costes.

Pero con las insulinas de ADN recombinante se obtiene mayor cantidad a un menor coste. Por este motivo, actualmente, se obtiene la insulina original de un humano de la ingeniería genética, pese a que las insulinas animales siguen siendo una alternativa perfectamente aceptable.

Mediante la ingeniería genética se ha conseguido producir insulina a partir de la bacteria E. coli. Fue en 1978 cuando se consiguió obtener la secuencia de la insulina e introducirla en el interior de la bacteria para que ésta produjera la insulina. Es así como E. coli ha pasado de ser una bacteria corriente a una fábrica de producción de insulina. La insulina se extrae de la bacteria, se purifica y se comercializa como medicamento.

Las ventajas de la insulina “humana”, obtenida por ingeniería genética son el fácil mantenimiento de las bacterias, una mayor cantidad de producción y con menores costes. Además, la compatibilidad de esta insulina es del 100%, no obstante puede haber reacciones debido a otros componentes.

A escala industrial, la producción de proteínas recombinantes engloba diferentes etapas. Estas etapas son la fermentación, en que las bacterias son cultivadas en medios de cultivo nutritivo; la extracción para recuperar todas las proteínas de su interior, la purificación, que separa la proteína recombinante de las otras proteínas bacterianas; y finalmente la formulación, donde la proteína recombinante es modificada para conseguir una forma estable y estéril que puede administrarse terapéuticamente.

Cada una de las anteriores fases implica un manejo muy cuidadoso de los materiales y un estricto control de calidad para optimizar la extracción, la pureza, la actividad y la estabilidad del fármaco. Este proceso puede ser simple o más complejo dependiendo del producto y del tipo de célula utilizada. Aunque la complejidad del proceso aumentaría el costo final del producto, el valor no llegará a sobrepasar el gasto de aislar el compuesto desde su fuente original para llegar a cantidades medicinales, que es lo que hemos demostrado con la insulina. Es decir, que producir insulina humana tiene un coste menor que obtener la insulina de cerdos.

La ingeniería genética permite que numerosas proteínas potencialmente terapéuticas puedan elaborarse en grandes cantidades. Actualmente, existen más de 30 proteínas aprobadas para su uso clínico, además de cientos de genes de proteínas terapéuticas que se han expresado a nivel de laboratorio y que se siguen haciendo estudios para demostrar su adecuación clínica.

REFERENCIAS

• Ramos, M. et al. El código genético, el secreto de la vida (2017) RBA Libros
• Alberts, B. et al. Biología molecular de la célula (2010). Editorial Omega, 5a edición
• Cooper, G.M., Hausman R.E. La Célula (2009). Editorial Marbán, 5a edición
• Naukas
• Vix
• Foto portada: UniversList

El maíz como ejemplo de mejora genética en plantas

La mejora genética está, actualmente, en el punto de mira. Pero no es un concepto nuevo, ya que llevamos tiempo haciendo mejora genética, sea en plantas o animales. En este artículo os hablaré sobre la mejora genética en plantas, poniendo como ejemplo el caso del maíz, una planta domesticada por el hombre desde hace 10.000 años.

¿QUÉ ES LA MEJORA GENÉTICA?

La mejora genética de plantas es el proceso que trata sobre los principios teóricos y los métodos para la obtención de las variedades de plantas de cultivo, que garantizan bajo determinadas condiciones ambientales y de producción, rendimientos altos y estables de los productos cultivados con la calidad requerida.

OBJETIVOS DE LA MEJORA GENÉTICA

Los objetivos de la mejora genética son:

• Aumentar el rendimiento:
  • Mejora de la productividad: aumentando la capacidad productiva potencial de los individuos.
  • Mejora de resistencia: obteniendo genotipos resistentes a plagas, enfermedades y condiciones ambientales adversas.
  • Mejora de características agronómicas: obteniendo nuevos genotipos que se adapten mejor a las exigencias y aplicación de la mecanización de la agricultura.
• Aumentar la calidad: mejora del valor nutritivo de los productos vegetales obtenidos.
• Extender el área de explotación: adaptando las variedades de las especies ya cultivadas a nuevas zonas geográficas con características climáticas o edafologías extremas.
• Domesticar nuevas especies: transformando las especies silvestres en cultivadas con utilidad y rentabilidad para el hombre.

ETAPAS DEL PROCESO DE MEJORA GENÉTICA

Antes de empezar el proceso se tienen que definir los objetivos que se quieren conseguir y, por lo tanto, definir aquellos caracteres que se quieren mejorar para obtener un fenotipo concreto.

Las etapas que se siguen en el proceso de mejora genética son los siguientes:

1. Primera etapa: encontrar dentro de la variabilidad genética de la especie conreada, o de las especies que se pueden hibridar, individuos que tengan estos caracteres.
2. Segunda etapa: estos individuos se hibridan entre sí y con plantas de buenas características agronómicas generales. El resultado será una población de base que segregará para un gran número de caracteres, de la cual se seleccionaran los individuos que más se acerquen a la variedad buscada.
3. Tercera etapa: comprobar que estos individuos son mejores en uno o más aspectos que las variedades que hay en el mercado, hecho que normalmente obliga a realizar ensayos comparativos.

EL MAÍZ

La planta del maíz (Zea Mays) ha estado domesticada por el hombre desde hace 10.000 años. En este tiempo se ha convertido en uno de los tres cereales más cultivados del mundo y este aumento del conreo se encuentra ligado al desarrollo de variedades que se adaptan mejor a las necesidades de cada lugar.

El maíz es uno de los alimentos básicos más importantes ya que a partir de él se hacen muchos productos derivados (harinas, aceites). Debido a que tiene un gran valor en la industria, es una planta muy estudiada y se ha secuenciado su genoma.

BARRENADOR EUROPEO DE MAÍZ

El maíz se ve afectado por el barrenador europeo (Figura 1), Ostrinia nubilalis. Es una plaga de cereales, particularmente del maíz. Es un lepidóptero nativo de Europa que, antes de la llegada del maíz, infestaba el mijo.

La mariposa mide unos 2,5 cm de largo. La hembra es de color marrón amarillento con bandas irregulares en las alas, y el macho es más pequeño y oscuro. La hembra pone los huevos por la parte de debajo de las hojas.

Figura 1. Imagen de la hembra de barrenador europeo (Fuente: Discover Life)

El barrenador hace túneles dentro del maíz (Figura 2), que provocan que la planta se rompa y caiga al suelo. Se tiene que tener en cuenta que cuando el maíz aún es inmaduro no se ve afectado por el barrenador, gracias a las defensas naturales de estas plantas en el estadio de crecimiento.

Figura 2. Larva del barrenador europeo en el maíz (Fuente: Iowa State University)

MODIFICACIÓN GENÉTICA DEL MAÍZ

Podemos encontrar dos tipos de maíz modificado:

• Cultivos que producen su propio herbicida (Bt)
• Cultivos tolerantes a herbicidas (Monsanto)

El maíz Bt es una planta modificada genéticamente mediante biotecnología moderna para defenderse a sí misma del ataque de insectos lepidópteros. Utilizando la tecnología del ADN recombinante se modificó el maíz, insertando un gen de la bacteria Bacillus thuringensis (Bt), de tal manera, que sus hojas, tallo y polen expresaran la proteína Bt de la bacteria. El maíz Bt constituye una importante y novedosa herramienta para el control de daños y pérdidas causadas por plagas de insectos.

El maíz tolerante a herbicidas es un maíz que ha estado mejorado mediante el uso de tecnología del ADN recombinante para tolerar la aplicación de ciertos tipos de herbicidas. Con el uso de estas tecnologías ha estado posible desactivar o remplazar la secuencia de susceptibilidad por otra que confiera resistencia y que permita a la planta de cultivo tolerar la aplicación del herbicida.

OBTENCIÓN DEL MAÍZ BT

Para transformar una planta normal a una planta transgénica, el gen que produce una característica de interés es identificado y separado del resto de material génico de un organismo donador.

Un organismo donador puede ser una bacteria, hongo o cualquier otra planta. En el caso del maíz Bt, el organismo donador es una bacteria del suelo de origen natural, el Bacillus thuringiensis, y el gen de interés produce una proteína que mata las larvas de lepidópteros. Esta proteína se llama delta endotoxina Bt.

La delta endotoxina Bt fue seleccionada por el hecho que es altamente eficaz para controlar larvas de orugas. Es durante la etapa larval cuando se produce la mayor parte de los daños del barrenador europeo de maíz. La proteína es muy selectiva, en general, no daña a los insectos en otros órdenes (como escarabajos, moscas, abejas y avispas). Por eso, los transgénicos que tienen el gen Bt son compatibles con los programas de control biológico, ya que perjudican los depredadores y parasitoides menos que los insecticidas de amplio espectro de insectos. La endotoxina Bt es considerada segura para los seres humanos, otros mamíferos, peces, aves y el medio ambiente a causa de su selectividad.

REFERENCIAS

• Juan-Ramón Lacadena. Agricultura Transgénica
• Iowa State University – Department of Entomology
• Entomology at the University of Kentucky
• Maíz transgénico: riesgos y beneficios
• Foro en Defensa del Maíz
• Foto portada: Informador.mx

¿Cómo se aplica la ingeniería genética en plantas?

Durante años, mediante el cruzamiento, se han conseguido plantas con una característica deseada después de muchas generaciones. La biotecnología acelera este proceso y permite a los científicos coger sólo los genes deseados de una planta, consiguiendo así los resultados esperados en una generación. La ingeniería genética nos permite hacer todo esto. En este artículo explicaré en qué consiste y su metodología.  

¿QUÉ ES LA INGENIERÍA GENÉTICA?

La ingeniería genética es una rama de la biotecnología que consiste en modificar las características hereditarias de un organismo mediante la alteración de su material genético. Habitualmente se utiliza para conseguir que determinados microorganismos, como bacterios o virus, aumenten la síntesis de compuestos, formen compuestos nuevos o se adapten a medios diferentes.

Es una herramienta más segura y más eficiente para el mejoramiento de especies que los métodos tradicionales (cruzamientos), ya que elimina gran parte de la aleatoriedad y del azar. Por otro lado, la biotecnología moderna también una deviene una nueva tecnología en disponer de la facultad de modificar los atributos de los organismos vivos mediante la introducción de material genético preparado in vitro.

Se podría definir como el conjunto de metodologías que permiten transferir genes de un organismo a otro y expresarlos (producir proteínas para las cuales estos genes codifican) en organismos diferentes al de origen. El ADN que combina fragmentos de organismos diferentes se llama ADN recombinante. Como consecuencia, las técnicas que utiliza la ingeniería genética se llaman técnicas de ADN recombinante.

A día de hoy hay muchos más organismos vegetales modificados genéticamente que no organismos animales. Por esta razón explicaré la ingeniería genética basándome en plantas.

INGENIERÍA GENÉTICA vs. MÉTODOS TRADICIONALES

Esta metodología tiene tres ventajas fundamentales respecto a las técnicas convencionales de mejora genética basadas en la hibridación:

• Los genes que se tienen que incorporar pueden venir de cualquier especie, emparentada o no (por ejemplo un gen de una bacteria se puede incorporar al genoma de la soja).
• A la planta mejorada genéticamente se le puede introducir un único gen nuevo preservando el resto de los genes de la planta original a su descendencia.
• Este proceso de modificación retrasa mucho menos los plazos que la mejora por cruzamiento.

De esta forma se pueden modificar propiedades de las plantas de manera más amplia, más precisa y más rápida.

Con el cruzamiento tradicional se genera un híbrido que combina al azar genes de los dos organismos parentales, entre ellos el gen de interés que codifica para el rasgo deseado. Con las técnicas de la biotecnología se pasan uno o algunos genes, que codifican una característica específica conocida. La planta nueva está integrada con todos los genes originales de la planta y un gen introducido de manera precisa y dirigida (Figura 1).

Figura 1. (A) Método tradicional donde, mediante el cruzamiento, se obtiene una nueva variedad. Ésta lleva el gen de interés (rojo) pero también otros genes al azar. (B) Con la ingeniería genética obtenemos una nueva variedad de la planta comercial con el gen de interés (rojo) de cualquier otra especie (Fuente: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

METODOLOGÍA DE LA INGENIERÍA GENÉTICA

La obtención de un organismo transgénico a través de técnicas de ingeniería genética implica la participación de un organismo que da el gen de interés y un organismo receptor del gen que expresará la nueva característica deseada. Las etapas y técnicas del proceso son las siguientes:

0/ DECIDIR EL OBJETIVO: REALIZAR UN KNOCK-IN O UN KNOCK-OUT

Técnica KNOCK-OUT:

El bloqueo de genes o knock-out es la técnica que consiste en suprimir la expresión de un gen, sustituyéndolo por una versión mutada de sí mismo, siendo esta copia no funcional. Esta técnica permite hacer que un gen se deje de expresar.

Técnica KNOCK-IN:

La técnica del knock-in es el proceso opuesto al del knock-out. Se remplaza un gen por una versión modificada de sí mismo, el cual produce una variación en la función resultante de éste.

En el ámbito de la medicina, el knock-in de genes se ha aplicado como estrategia para sustituir o mutar los genes que causan enfermedades como la Corea de Huntington, con el fin de ayudar a crear una terapia exitosa.

1/ CORROBORAR QUE EXISTE UN GEN QUE CODIFICA PARA LA CARACTERÍSTICA DE INTERÉS

Primero se tiene que comprobar que la característica que interesa proviene de un gen, ya que así será más fácil transferirla a un organismo que no la tenga.

2/ CLONAR EL GEN DE INTERÉS

Es un proceso complejo, pero a rasgos generales los pasos que se siguen son los siguientes:

• Extraer el ADN
• Buscar un gen entre todos los genes de este ADN
• Secuenciarlo
• Construir el vector recombinante

El ADN de interés se inserta en un plásmido, una molécula de ADN circular con replicación autónoma. Los más utilizados son los plásmidos de origen bacteriano (Video 1).

Video 1. “Clonación plásmido traducido”. Explicación de la utilitzación de plàsmidos en el proceso de clonación  como vector (Font: YouTube)

El desarrollo de estas técnicas fue posible gracias al descubrimiento de las enzimas de restricción. Estas enzimas reconocen secuencias específicas, de pocas bases, y cortan por este punto el ADN. Los extremos generados se pueden sellar con la enzima ligasa y obtener así una nueva molécula de ADN, nombrada recombinante (Figura 2).

Figura 2. (1) ADN del plásmido. (2) ADN de otro organismo. (3a, 3b) Se corta el ADN con una enzima de restricción. (4) La enzima de restricción reconoce la secuencia AATT y corta entre los nucleótidos A y T de las cadenas de ADN. (5) Se ponen en contacto los dos ADN para que se formen moléculas recombinantes. (6) Una enzima ligasa une los extremos del ADN con tal de tener una nueva molécula (Fuente: GeoPaloma)

3/ CARACTERIZAR EL GEN DE INTERÉS

Conociendo la secuencia del gen se puede comparar con esta secuencia con la de genes ya conocidos a través de la bioinformática, con tal de determinar a qué gen se parece y asignarle una posible función. Después de haber predicho la función del gen clonado se confirma la función in vivo, normalmente transfiriéndolo a un organismo modelo.

4/ MODIFICAR EL GEN DE INTERÉS

Si se desea se puede agregar (promotor, intrones…) o mutar secuencias dentro de la región codificante para que se puede expresar en el sistema de interés.

5/ TRANSFORMACIÓN DE UN ORGANISMO CON EL GEN DE INTERÉS

Una vez finalizada la construcción genética con el gen y el promotor deseado, se inserta el ADN recombinante a las células del individuo que se quiere modificar.

6/ CARACTERIZACIÓN DEL OGM

Cuando ya se tiene el OGM (Organismo Genéticamente Modificado) se analiza desde el punto de vista molecular y biológico. En el análisis molecular se tiene que demostrar, entre otros, si tiene una (o más) copias del transgen o como y a qué tejidos se expresa el gen. En el análisis biológico se mira si cumple el objetivo por el cual se ha diseñado.

REFERENCIAS

• Por qué biotecnología
• Cultivos transgénicos: Introducción y Guía a Recursos
• Agricultura Transgénica
• Foto portada: FarmacoSalud