Biotecnología: Definición y Tipos
La Biotecnología es una disciplina basada en la utilización de seres vivos o sus componentes para realizar determinados procesos con finalidad industrial o comercial. Incluye:
- Biotecnología Clásica: Utilización de seres vivos para obtener productos útiles al ser humano mediante procesos que no implican modificación de genes. Ejemplos: selección de planteles más óptimos, fabricación de cerveza, pan.
- Biotecnología Moderna (Ingeniería Genética): Emplea técnicas de manipulación del ADN o tecnología del ADN recombinante, permitiendo a los científicos manipular genes, modificarlos e incluso introducirlos en organismos distintos. Ejemplos: animales y plantas transgénicas.
Aplicaciones de la Biotecnología
Biotecnología Médica y Farmacéutica
- Obtención de Hormonas: Por ejemplo, la insulina, producida en grandes cantidades en fermentadores o biorreactores mediante bacterias transformadas con el gen humano de la insulina.
- Obtención de Antibióticos y otros medicamentos: Sustancias orgánicas sintetizadas por microorganismos (como hongos), capaces de impedir o dificultar la vida de otras especies, particularmente bacterias patógenas.
- Obtención de Anticuerpos Monoclonales: Anticuerpos homogéneos producidos por un clon de células, resultado de la fusión de dos tipos celulares:
- Linfocitos B: Fabrican anticuerpos idénticos y específicos para un antígeno.
- Células tumorales: Inmortales, con gran capacidad de crecimiento y división.
- Terapia Génica: Tratamientos terapéuticos que emplean técnicas de ingeniería genética.
Biotecnología Industrial
- Producción de alimentos y bebidas fermentadas: Queso, yogur, cerveza.
- Fabricación de proteínas para pienso animal.
- Producción de enzimas: Como proteasas y lipasas para detergentes.
- Biocarburantes:
- Bioalcohol: Alcohol etílico o etanol obtenido a partir de la fermentación de azúcares presentes en productos vegetales como cereales, remolacha o caña de azúcar.
- Biodiésel: Combustible líquido obtenido a partir de materias primas renovables, como aceites y grasas vegetales (soja, colza, palma y girasol), de uso similar al gasóleo de automoción de origen fósil. La reacción es: Aceite vegetal + Alcohol (Metanol) = Ésteres (Biodiésel) (Proceso de Esterificación).
Biotecnología Ambiental
- Biorremediación: Proceso que utiliza microorganismos, hongos, plantas o sus enzimas derivadas para eliminar contaminantes del medio natural.
- Biodegradación: Resultado de los procesos de digestión, asimilación y metabolización de un compuesto orgánico por bacterias, hongos, protozoos y otros organismos. Ejemplo: descomposición de materia orgánica en depuradoras de aguas residuales.
- Biolixiviación: Proceso de obtención de minerales a partir de reacciones químicas realizadas por determinados microorganismos (bacterias y arqueas).
Conceptos Clave en Biotecnología
Ingeniería Genética
Es una rama moderna de la biotecnología que consiste en el uso de diversas técnicas para manipular el ADN de los organismos, produciendo genes modificados que pueden reinsertarse en células u organismos con diferentes fines.
Terapia Génica
Aplicación de la ingeniería genética que consiste en la introducción de genes en seres humanos con el fin de corregir enfermedades de origen genético. Su objetivo es restaurar la función de un gen defectuoso y lograr una curación definitiva.
La terapia génica puede actuar a diferentes niveles:
- Sobre líneas germinales: Genera individuos libres de determinadas enfermedades hereditarias (no se aplica en humanos por razones éticas).
- Sobre líneas somáticas: Permite aliviar muchas enfermedades relacionadas con la genética y alteraciones metabólicas (ejemplos: talasemia, fibrosis quística, diabetes). En este caso, la transferencia puede ser:
Modalidades de Transferencia Génica
- Ex vivo: Se extraen células vivas del paciente, se corrige el defecto génico en el laboratorio y se reintegran al organismo.
- In vivo: Transferencia de los genes terapéuticos directamente al paciente, mediante un vector a través de la sangre o la piel.
- In situ: La modificación genética de las células del paciente se realiza introduciendo los genes terapéuticos directamente en el órgano defectuoso.
ADN Recombinante
Es un ADN mixto, resultado de la unión de fragmentos de ADN provenientes de diferentes organismos. Se obtiene mediante la Tecnología del ADN recombinante.
Tecnología del ADN Recombinante
La técnica consiste en introducir el gen seleccionado en el interior de un vector (como un virus o bacteria) y este, a su vez, dentro de una célula anfitriona. Aprovechando la maquinaria celular, el gen se expresa, sintetizándose así la proteína codificada. Al dividirse la célula, las nuevas células formadas también contienen y sintetizan esa proteína. Esta tecnología se utiliza en estudios sobre la regulación de la expresión génica, la síntesis de proteínas (como la insulina o la hormona del crecimiento), el desarrollo de organismos transgénicos y la amplificación del ADN (aunque para esta última, la PCR es una técnica más eficiente).
Enzimas de Restricción
Endonucleasas que cortan el ADN en secuencias cortas y específicas. Existen diversas enzimas de restricción, cada una con una secuencia de corte particular.
Vector
Moléculas transportadoras que transfieren y replican fragmentos de ADN insertados. Un vector debe ser capaz de replicarse junto con el fragmento de ADN que transporta. Ejemplos: Plásmidos y virus bacteriófagos (que incorporan material genético mediante el proceso de transducción).
PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa)
Técnica que permite amplificar (copiar) fragmentos de ADN sin necesidad de utilizar células. Permite duplicar un número ilimitado de veces un fragmento de ADN en un tubo de ensayo, generando millones de moléculas idénticas a partir de una sola molécula de ADN en muy poco tiempo.
La reacción es un proceso cíclico:
- La molécula de ADN a copiar se calienta para desnaturalizarla y separar sus dos hebras.
- Cada hebra es copiada por la ADN-polimerasa. Se utiliza una ADN-polimerasa termoestable, como la de la bacteria Thermus aquaticus, que puede trabajar a altas temperaturas.
- Las cadenas recién formadas se separan de nuevo por el calor, iniciando un nuevo ciclo de copias.
Clonación
Proceso que consiste en obtener copias idénticas de una molécula, un gen, una célula o un organismo.
En biología, el término «clonación» tiene dos significados principales, dependiendo del contexto:
- En ingeniería genética: Aislar y multiplicar en el laboratorio un gen o un fragmento de ADN.
- En otros ámbitos biológicos: Proceso mediante el cual se obtienen individuos (células, embriones u organismos) genéticamente idénticos, denominados individuos clónicos o clones. Este proceso puede realizarse de dos maneras:
- De forma natural: Reproducción bacteriana y de otros organismos unicelulares, reproducción asexual en plantas (injertos, esquejes) y en algunos animales (abejas, estrellas de mar, pulgones, etc.). Los gemelos idénticos (monocigóticos o univitelinos) también son individuos clónicos.
- En el laboratorio: Se pueden conseguir animales clónicos mediante dos vías:
- A partir de células embrionarias.
- Mediante transferencia nuclear: Se extrae el núcleo de una célula somática de un individuo adulto y se inserta en un óvulo al que se le ha quitado su núcleo. Los tejidos o el individuo resultante serían clónicos del adulto «donante» del núcleo. Ejemplo: la clonación de la oveja Dolly.
La clonación puede tener fines terapéuticos (obtener tejidos y órganos para trasplantes en individuos enfermos) y fines reproductivos (conseguir embriones humanos para implantación y desarrollo en el útero de una mujer). También se ha empleado para intentar recuperar especies desaparecidas o en peligro de extinción.
Organismos Transgénicos
Son organismos modificados genéticamente que incorporan genes de otra especie.
(Nota: Un Organismo Genéticamente Modificado (OGM) puede tener genes de la misma especie, mientras que un Organismo Transgénico siempre incorpora genes de una especie diferente. Por ejemplo, una rata con genes de otra rata es un OGM; una merluza con genes de salmón es un organismo transgénico).
La generación de organismos transgénicos se ha realizado tanto en animales como en plantas para conseguir características mejoradas:
- Obtención de animales transgénicos:
- Mejora de razas (más resistentes, productivas, mayor desarrollo).
- Producción de medicamentos (ej. factores de coagulación en la leche de oveja).
- Estudio de enfermedades humanas (expresión de genes humanos en organismos transgénicos).
- Obtención de plantas transgénicas:
- Resistencia a herbicidas y plagas.
- Mejora del valor nutricional del producto (ej. añadiendo beta-caroteno al arroz).
- Producción de sustancias medicinales, vacunas o anticuerpos (planticuerpos).
Células Madre
Son células no especializadas (indiferenciadas) capaces de reproducirse y mantener su estado, pero que pueden transformarse en cualquiera de los más de doscientos tipos celulares especializados que posee un ser vivo.
Son responsables del crecimiento y reparación de los tejidos, y se encuentran en cigotos, blastocistos, embriones, fetos y organismos adultos. Todos los animales y vegetales las poseen.
Tipos de Células Madre
a) Según su capacidad de diferenciación (potencialidad):
- Totipotentes: Capaces de dar lugar a un organismo completo.
- Pluripotentes: Pueden producir cualquiera de los tejidos que forman un individuo.
- Multipotentes: Solo crean los tipos celulares de un tejido determinado.
La potencialidad de las células madre disminuye con el tiempo a medida que avanza el desarrollo. Son totipotentes durante uno o dos días tras la fecundación, y luego pluripotentes hasta los cuatro o cinco días (cuando forman parte de un blastocisto). En un organismo adulto, las células multipotentes son las encargadas de renovar sus tejidos.
b) Según su origen:
- Células madre embrionarias: Se extraen de un embrión en desarrollo (4-5 días). Fueron las primeras en descubrirse y, a pesar de su gran potencialidad (totipotentes o pluripotentes), su uso generó problemas éticos y técnicos, ya que pueden transformarse en células tumorales.
- Células madre adultas: Se pueden obtener de diferentes tejidos como la médula ósea, el hígado, la piel, el cordón umbilical, la placenta o la grasa. Su uso está muy extendido, ya que son células multipotentes que no generan problemas éticos.
El empleo de células madre permite realizar la Terapia Celular, y la realización de trasplantes con este tipo de células podría solucionar la escasez de donantes y el problema de rechazo.
Genoma
Es la totalidad o conjunto de la información genética que posee un organismo o una especie en particular. En los seres eucariotas, el genoma comprende el ADN contenido en el núcleo (organizado en cromosomas), y el genoma mitocondrial y plastidial.
Genómica
Es la ciencia que se ocupa del estudio de los genomas de los seres vivos, buscando identificar todos los genes, su evolución, origen y descifrar la secuencia exacta de nucleótidos en los cromosomas.
Proteoma
Es el conjunto de todas las proteínas expresadas por el genoma de una especie, célula, tejido u organismo, según las condiciones ambientales y la etapa del desarrollo.
Proteómica
Es la ciencia que estudia el conjunto de proteínas de un individuo, en particular su estructura y función.
El número de proteínas es mucho mayor que el número de genes, debido a que un mismo ARNm puede madurar de varias formas diferentes (splicing alternativo o maduración alternativa).