Introducción a la Biotecnología

Diversos procesos biotecnológicos clásicos, como las fermentaciones alcohólica y láctica, se remontan a civilizaciones muy antiguas.

Los sumerios y los babilonios, hace 8000 años, ya sabían cómo elaborar la cerveza, y los egipcios, hace 6000 años, ya utilizaban la fermentación para fabricar pan y vino. Cabe destacar que no fue hasta 1876 cuando Pasteur descubrió que las fermentaciones se debían a microorganismos, y fue entonces cuando la biotecnología apareció como ciencia.

Es una ciencia en constante evolución. A partir de la segunda mitad del siglo XX, con el conocimiento de la base molecular de la herencia y el desarrollo de la genética, la biotecnología ha adquirido su máximo desarrollo, y se espera que continúe abriendo amplios horizontes que revolucionarán la ciencia en los próximos años.

Definición y Tipos de Biotecnología

La biotecnología es el conjunto de técnicas basadas en la utilización controlada de seres vivos o de sus componentes para la obtención industrial de productos de interés para el ser humano. Entre ellos se encuentran: sustancias químicas —medicamentos, alimentos, combustibles, etcétera—, o especies que mejoran la producción agrícola y ganadera, o colaboran en la protección medioambiental.

Los procesos biotecnológicos se pueden dividir en dos grandes grupos:

  • Tradicionales: basados en la genética clásica.
  • Modernos: basados en la ingeniería genética.

Biotecnología Tradicional

La biotecnología tradicional consiste en el cultivo a gran escala de microorganismos capaces de producir, como resultado de su metabolismo, sustancias de interés.

Estos procesos se basan en:

  1. La obtención, mediante técnicas genéticas clásicas —mutación, selección—, de las cepas de microorganismos más productivas.
  2. La mejora de las condiciones físico-químicas de cultivo —pH, temperatura, etcétera—, para conseguir un alto rendimiento de la sustancia buscada.
  3. El perfeccionamiento de las técnicas de aislamiento y purificación, para separar eficazmente el producto de interés.

Biotecnología Moderna e Ingeniería Genética

La ingeniería genética es el conjunto de herramientas y métodos utilizados para la modificación dirigida del ADN de una célula o de grupos de células, lo que permite crear nuevas cualidades en la célula modificada.

Se denomina también tecnología del ADN recombinante, porque en este proceso se combina material genético de diferentes especies.

Es la principal diferencia con respecto a la biotecnología tradicional: en la biotecnología moderna, las técnicas de ingeniería genética permiten la modificación del ADN de una célula, confiriéndole al organismo nuevas propiedades.

Ingeniería Genética: Manipulación del ADN y ADN Recombinante

La biotecnología moderna utiliza técnicas de ingeniería genética, en las que se manipula el ADN. Al conjunto de todas estas técnicas se las llama tecnología del ADN recombinante.

¿Cuándo comienza el ser humano a realizar manipulaciones en el ADN?

La ingeniería genética es un conjunto de técnicas que permiten la manipulación y la transferencia de genes de un organismo a otro, lo que permite obtener organismos genéticamente modificados. El ADN resultante de la unión de fragmentos de ADN procedentes de organismos diferentes recibe el nombre de ADN recombinante, y el conjunto de técnicas que lo emplean se conoce como tecnología del ADN recombinante.

Actualmente, la ingeniería genética se basa principalmente en las siguientes tecnologías:

  • ADN recombinante: esta técnica permite aislar un gen en un ADN, unirlo a vectores e intercalarlo en otro ADN.
  • Secuenciación del ADN: consiste en determinar el orden o secuencia de los nucleótidos de un gen.
  • Reacción en cadena de la polimerasa (PCR): consiste en aumentar el número de copias a partir de una mínima cantidad de fragmentos de ADN.

Construcción de ADN Recombinante

Una técnica fundamental de ingeniería genética es la del ADN recombinante, que permite cortar un gen de interés y pegarlo en un ADN extraño.

Las herramientas básicas para la construcción de moléculas de ADN recombinante son las enzimas endonucleasas de restricción (que actúan como “tijeras”) y las ADN ligasas (que actúan como “pegamento”).

Las enzimas de restricción, o endonucleasas, son enzimas que cortan los enlaces fosfodiéster del material genético a partir de una secuencia que reconocen. Actúan como “tijeras moleculares”, reconocen una zona del ADN —llamado sitio de restricción— y cortan la doble hélice por la zona de fosfatos sin dañar las bases. (Recuerda la estructura del ADN con esta animación).

Una vez realizado el corte, los extremos que quedan reciben el nombre de extremos cohesivos o romos.

Clonación Molecular y Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

La biotecnología permite conocer la secuencia de los nucleótidos de un gen, y además permite obtener muchas copias de ese fragmento de ADN deseado. Para este proceso, las técnicas más usadas son la clonación y la reacción en cadena de la polimerasa (PCR).

Aunque el objetivo de ambas técnicas es el mismo —obtener más copias de una secuencia de ADN—, la metodología es distinta:

  • Para la clonación se usan células; es una técnica in vivo.
  • La técnica de PCR es acelular; es una reacción puramente enzimática que se realiza totalmente in vitro.

Método de Clonación del ADN en Células

El método de la clonación del ADN en células consiste en unir in vivo fragmentos de ADN de procedencia muy diversa con secuencias de ADN capaces de replicarse de manera autónoma.

En la técnica de la clonación molecular o génica no se clonan células, sino que se utilizan para clonar fragmentos de ADN. Se las llama células hospedadoras.

Las células hospedadoras procariotas que se suelen utilizar son bacterias; es decir, el ADN deseado se introduce en el ADN bacteriano, de forma que cuando la bacteria se reproduzca hará múltiples copias de ese ADN.

Vectores de Clonación y Transformación

Para introducir un fragmento de ADN deseado dentro de una bacteria, se utilizan pequeñas moléculas de ADN, a las que se les llama vectores de clonación o de clonado, que pueden autorreplicarse de manera independiente del ADN de la célula huésped. Se utilizan dos tipos de vectores de clonación: plásmidos (ver imagen de referencia) y bacteriófagos. Lo primero que hay que conseguir es insertar el gen deseado en estos vectores.

La introducción de un ADN extraño en bacterias, ya sea de forma natural o por vectores, se llama transformación.

Si el vector es un virus, la transformación recibe el nombre de transducción. (Como se observa en la animación, donde el bacteriófago inserta el ADN en la bacteria).

Al dividirse esta bacteria transformada se obtienen muchas células iguales, que llevan ese ADN, a las que se llaman clones. El conjunto de clones obtenido se llama biblioteca genómica o genoteca. (En la animación adjunta se puede observar su creación).

Identificación de Clones: Genes Marcadores

La identificación de bacterias que han incorporado el vector de clonación con el fragmento de ADN deseado se realiza mediante genes marcadores. Por ejemplo, un marcador puede conferir a la bacteria resistencia a un antibiótico. Aunque los plásmidos naturales carecen de estos marcadores, se añaden artificialmente para facilitar la selección.

Mutaciones y Selección Natural: Motores de la Evolución

En el curso de la evolución, se originan mutaciones, entre ellas, positivas, apareciendo individuos con cuellos más largos que alcanzan mejor la comida, representada con esferas. Los individuos también se reproducen y otros mueren, y todo ello se representa como la aparición de organismos que ocupan inmediatamente el lugar de los que desaparecen.

Por otro lado, se suceden mutaciones negativas que implican organismos con cuellos más cortos, o incluso puede no producirse ninguna mutación, lo que implica que los organismos se quedan siempre con el mismo tamaño de cuello.

Al final de muchos ciclos sucesivos se puede comprobar que:

  • La frecuencia de individuos con cuellos cortos (fenotipo) es más baja que al comienzo, llegando incluso hasta desaparecer.
  • La tasa de mutación es muy alta, tanto en el caso de las mutaciones positivas como en el de las negativas.

La selección natural es la que actúa sobre los cambios (mutaciones) que se producen en los organismos al azar. Los cambios que suponen un mayor beneficio perduran en la población sobre aquellos que, de alguna manera, suponen un perjuicio, ya sea en la capacidad de supervivencia o reproductiva de los individuos.