«Una técnica de genética molecular utilizada para la manipulación directa, alteración o modificación de los genes o del genoma de los organismos con el fin de manipular los fenotipos se denomina ingeniería genética».

O en otras palabras, podemos decir,

«La ingeniería genética es una técnica mediante la cual se puede alterar la composición genética de un organismo.»

La técnica suele conocerse como manipulación genética, modificación genética o alteraciones genéticas, a grandes rasgos se cataloga como ingeniería genética.

En esta técnica se construye un ADN recombinante y se inserta en el genoma del huésped mediante un vector. O podemos eliminar algunas secuencias mutantes de un genoma. El primer ADN recombinante fue construido por Paul Berg en 1972.

Usando la técnica de ingeniería genética se pueden construir organismos modificados genéticamente que son económicamente muy importantes para nosotros.

Se emplea para la producción de especies vegetales mejoradas, medicamentos terapéuticos o proteínas, la prevención de trastornos genéticos heredados y la construcción de un organismo genéticamente modificado.

En el presente artículo, nuestra charla principal es la ingeniería genética y sus aplicaciones. El contenido del artículo es,

• Qué es la ingeniería genética
  • Definición
  • Historia
  • Tipos
  • Proceso

.

• Aplicación de la ingeniería genética
• Limitaciones de la ingeniería genética
• Conclusión

Los humanos están manipulando el material genético de muchos organismos desde hace tiempo. Utilizando la cría selectiva y la hibridación cruzada, hemos creado especies de plantas económicamente importantes.

El propósito de desarrollar la ingeniería genética o la técnica de manipulación genética es producir organismos o fenotipos que nos sean útiles. Las técnicas de ingeniería genética se utilizan para,

• Construir especies vegetales modificadas genéticamente.
• Especies vegetales resistentes al estrés biótico y biológico.
• Especies vegetales de importancia económica
• Organismo de valor comercial
• Para la producción de medicamentos terapéuticos
• Prevención de anomalías genéticas.

«En la ingeniería genética, el ADN de dos células diferentes se combina y se inserta en el genoma del huésped mediante un vector». Aquí se explican componentes importantes de los experimentos de manipulación genética.

Gen de interés: Una secuencia de ADN que queremos insertar en nuestras células objetivo.

Vector: utilizando el ADN plasmídico como vectores se inserta el gen de interés en el genoma del huésped. Los vectores son una especie de vehículos que transfieren el material genético.

Células diana: las células diana son la población de células cuyo genoma deseamos manipular o cambiar.

Definiciones:

«Una técnica utilizada para insertar o eliminar un gen mutante o para manipular el genoma de un organismo se conoce como ingeniería genética.»

Historia de la ingeniería genética:

El término ingeniería genética fue utilizado por primera vez por el novelista de ciencia ficción, no por ningún científico. En el año, 1951, Jack Williamson utilizó el término «ingeniería genética» por primera vez en su novela «La isla del dragón».

Poco después, la estructura molecular del ADN fue descubierta por Watson y Crick, aunque los experimentos genéticos eran populares desde la época de Mendel.

El primer ADN recombinante fue construido por Paul Berg en 1972. Ese mismo año, Herbert Boyer y Stanley Cohen realizaron experimentos de transferencia de genes. En 1974, Rudolf Jaenisch había creado ratones modificados genéticamente, por primera vez en la historia de la genética.

Tras el éxito de Rudolf, en 1976 se desarrollaron las especies de plantas de tabaco modificadas genéticamente o por ingeniería genética.

Durante este periodo (entre 1960 y 1990) se descubrieron técnicas similares a la digestión de restricción, la ligadura y la PCR que dieron alas a la tecnología de la ingeniería genética.

Artículo relacionado: ¿Qué es un genoma?

Tipo de técnicas de ingeniería genética:

ADN recombinante- Una tecnología de ADN recombinante es un tipo de tecnología de ingeniería genética en la que se construye una molécula de ADN artificial ligando dos ADN diferentes mediante métodos físicos. Para ello, el gen de interés se inserta en el vector del plásmido y se utiliza para los experimentos de transferencia de genes.

Entrega de genes- La técnica de entrega de genes se emplea para la inserción de un gen de interés en el genoma del huésped.

La electroforesis, la solicitud y la transferencia de genes mediada por vectores virales, la transferencia de genes mediada por liposomas, la transferencia de genes mediada por transposones son algunos de los métodos utilizados para ello.

Edición de genes- Una técnica de edición de genes se utiliza para editar el genoma en el que se elimina una secuencia de ADN no deseada o se puede insertar un nuevo gen en el genoma del huésped. CRISPR-CAS9, TALEN y ZFN son algunas herramientas conocidas de edición de genes utilizadas en experimentos de terapia génica.

Lea más: ¿Qué es la edición de genes y CRISPR-CAS9?

Proceso de ingeniería genética:

La técnica de la ingeniería genética se utiliza para muchos propósitos diferentes por lo que debemos decidir primero el propósito del experimento. Todo el proceso de ingeniería genética se puede dividir en 5 pasos más amplios:

• Selección y aislamiento del gen candidato
• Selección y construcción del plásmido
• Transformación del gen
• Inserción del ADN en el genoma del huésped
• Confirmación de la inserción

Selección y aislamiento del gen candidato:

El gen debe contener una secuencia de ADN que queramos estudiar y para ello, un gen tiene unas características especiales. Un gen candidato debe tener un alto contenido de GC y una secuencia de ADN menos repetitiva.

Además, el gen de interés no debe ser demasiado largo -sólo unos pocos genes de kb pueden ser insertados con éxito. Cuanto más largo sea el gen, mayor será la probabilidad de fracaso. El gen candidato debe tener un codón de inicio y de parada. Artículo relacionado: ¿Qué es el código genético?

Ahora, el gen de interés puede ser aislado del resto del ADN utilizando la digestión de restricción o la reacción en cadena de la polimerasa.

Las endonucleasas de restricción son las enzimas bacterianas que tienen el poder de digerir la secuencia de ADN en un lugar específico. Utilizando un tipo específico de endonucleasa de restricción podemos cortar y aislar nuestro gen de interés.

El método de digestión de restricción se explica en nuestro artículo anterior: ¿Qué es la digestión de restricción?

En la reacción en cadena de la polimerasa, utilizando la información de la secuencia del gen, se amplifica el gen de interés o el gen candidato en el termociclador.

La máquina, utilizando la reacción en cadena de la polimerasa hace millones de copias de un gen de nuestro interés. Mediante el proceso de electroforesis en gel de agarosa, se aísla el gen amplificado.

Si el gen de interés está bien estudiado, previamente, entonces la información de un gen es accesible en la biblioteca genética y podemos utilizarla para la síntesis artificial de un gen de nuestro interés. (utilizando la información de la biblioteca genética, el gen también puede ser sintetizado artificialmente)

En el siguiente paso, realizar la purificación del ADN, si es necesario. Ahora nuestro ADN está listo para insertarse en un plásmido.

Selección y construcción del plásmido:

La selección del plásmido para el experimento de ingeniería genética es uno de los pasos cruciales en todo el experimento. Antes de seleccionar el plásmido, debemos entender por qué se utiliza el plásmido en los experimentos de transferencia de genes.

El ADN del plásmido es un ADN citoplasmático circular de doble cadena de las bacterias que se replican de forma independiente.

Los científicos lo utilizan como vehículo para transferir el gen de interés a la localización objetivo en el genoma. Puede transferir eficazmente el gen en el lugar de destino. La estructura del plásmido se explica en la siguiente figura,

Artículo relacionado: ¿Qué es un plásmido?

Preparación del plásmido:

Seleccione el plásmido que se adapte a su experimento.

El plásmido debe tener el origen de replicación, la región promotora, el gen de resistencia a los antibióticos y otras secuencias importantes. Utilizando el método de digestión de restricción, se introduce un sitio de inserción en el plásmido en el que se liga nuestro gen de interés.

Utilizando la ADN ligasa T4 como sellador de potencia, el ADN de nuestro interés en insertado y ligado en el plásmido. Junto con el plásmido, también se introduce un marcador seleccionable en el ADN del plásmido para identificar el ADN recombinante.

Además, en el plásmido también se incluye una región promotora y secuencias terminadoras para la expresión efectiva de un gen de nuestro interés. Un plásmido con nuestro gen de interés y algunas otras secuencias importantes se denomina ahora molécula de ADN recombinante.

Ahora nuestro ADN recombinante está listo para la expresión.

Si estamos realizando la clonación de genes que el plásmido se inserta en el huésped bacteriano, para que generalmente E.Coli se utilizan comúnmente. Una vez que la bacteria comienza a dividirse, nuestro ADN plasmídico recombinante también se replica junto con ella.

Ahora tenemos las múltiples copias de nuestro ADN plasmídico que se extraen utilizando el kit de extracción de ADN plasmídico y se utilizan para los experimentos de transformación.

Transformación en el genoma del huésped:

El transporte del ADN recombinante a la célula receptora o al genoma del huésped es otra tarea tediosa y difícil. Se utilizan varios métodos para la inserción del ADN recombinante para varios tipos de células porque un solo método no puede utilizarse para todos los tipos de células.

Varios métodos para la transformación:

Usando estrés- las bacterias captan fácilmente el ADN del plásmido usando algunos factores de estrés como el calor o la media eléctrica.

Microinyección- se utiliza una aguja afilada para insertar el ADN directamente en el núcleo de una célula, sin embargo, el método es menos eficaz y requiere un mayor nivel de experiencia para ello.

Electroporación- uno de los mejores métodos que tiene una gran tasa de éxito es el método de electroforación en el que el ADN recombinante se inserta en el genoma del huésped permeabilizando la célula con corriente eléctrica.

Hemos cubierto un artículo completo sobre ello. Léalo aquí: Electroporación- Una técnica moderna de transferencia de genes.

La sonicación- la sonicación es otro buen método que se utiliza a veces en el experimento de transferencia de genes en el que el ADN recombinante se inserta en la célula objetivo utilizando ondas ultrasónicas. Las ondas ultrasónicas también aumentan la permeabilidad de las células.

Transferencia génica mediada por liposomas- Utilizando una capa exterior artificial similar a una célula, conocida como liposoma, se puede insertar ADN recombinante en el genoma del huésped.

Transferencia de genes mediante infección bacteriana- Este método es uno de los más populares y de uso rutinario en los experimentos de ingeniería genética de plantas. Aquí, las especies de plantas se infectan con las bacterias transformadas para insertar un gen de interés.

Agrobacterium tumifecian se utiliza para insertar ADN recombinante en la célula de la planta. Se inserta un gen de interés en el plásmido Ti- de la Agrobacterium. Las células vegetales se infectan mediante este cultivo celular bacteriano y las células transformadas se regeneran utilizando los métodos de cultivo de tejidos vegetales.

Química en la transferencia de genes- Algunos iones metálicos, productos químicos y soluciones de diferentes productos químicos también se emplean en los experimentos de transferencia de genes, sin embargo, la tasa de éxito es demasiado baja en comparación con los otros métodos.

Confirmación de la inserción:

Nuestro trabajo aún no está terminado.

Ahora tenemos que conformar, si el ADN recombinante se inserta en nuestra célula objetivo o no. Para ello se utilizan diversas tecnologías de genética molecular. En el método de cultivo tradicional, se utiliza la presencia o ausencia de un marcador seleccionable para diferenciar las células transformadas de las no transformadas.

Aunque, no es necesario para el método de detección basado en la PCR. El método de detección basado en la reacción en cadena de la polimerasa está ampliamente aceptado y es más fiable que otros métodos.

El ADN se extrae de la célula transformada y se amplifica utilizando los cebadores complementarios a nuestro gen de interés o a nuestro ADN recombinante.

Si el ADN recombinante está presente seguramente se amplifica, de lo contrario no se obtiene amplificación. Para la conformación de dos factores, se toma un juego de cebadores complementarios al ADN recombinante específico y un juego de cebadores complementarios a la secuencia del marcador seleccionable y se realiza la PCR multiplex.

Para validar los resultados, debe obtenerse amplificación en ambas reacciones.

Pero, ¡espera un momento!

¿Qué ocurre si durante el experimento se produce alguna mutación en nuestro gen de interés? Porque la PCR sólo puede amplificar el ADN. Debemos necesitar información de la secuencia para detectar la mutación.

Para ello se utiliza el método de secuenciación del ADN.

Se extrae el ADN de las células transformadas y se amplifica el gen de interés mediante la PCR. Ahora los amplicones de la PCR se utilizan para la secuenciación del ADN en la que utilizando la química fluorescente se determina ordenadamente la secuencia de nuestro gen de interés.

Una vez cumplidos todos los parámetros para la determinación del gen de interés, nuestras células ya están listas para ser inyectadas en el organismo huésped o para experimentos de cultivo de tejidos.

Aplicaciones de la ingeniería genética:

Ahora llegando al punto importante de este tema, «¿Para qué se utiliza la ingeniería genética?»

La ingeniería genética tiene un gran valor industrial y agrícola. Se practica en la medicina, la investigación genética, la agricultura, la mejora de los cultivos y para la producción de medicamentos terapéuticos.

También se utiliza en el desarrollo de organismos modificados genéticamente. Aquí estamos discutiendo algunas de las aplicaciones importantes de la ingeniería genética.

La tecnología del ADN recombinante se utiliza en la mejora de los cultivos y el desarrollo de nuevos rasgos de importancia económica. Algunos de ellos son:

• Resistencia a los herbicidas
• Resistencia a los virus
• Retraso de la maduración de los frutos
• Contenido de aceite alterado
• Control del polen
• Desarrollo de especies vegetales tolerantes al frío y a la sequía.

Un ejemplo clásico de ello es el algodón BT- uno de los tipos de especies modificadas genéticamente proporciona resistencia a la planta contra el bacillus thuringiensis.

Proceso de desarrollo de especies vegetales modificadas genéticamente:

Se aísla un gen de interés del organismo mediante digestión de restricción o se amplifica mediante la reacción en cadena de la polimerasa. El ADN recombinante se construye insertando un gen de interés en el plásmido, aquí se utiliza el plásmido T-.

En el siguiente paso, el plásmido T- se inserta en la agrobacteria. En el último paso, la especie vegetal se infecta con las células bacterianas transformadas y se cultiva. Todo el proceso se muestra en la siguiente figura,

Los alimentos modificados genéticamente son otra de las mejores aplicaciones de la ingeniería genética en la que se construyen productos alimenticios económicamente importantes utilizando la tecnología del ADN recombinante.

El ejemplo clásico de ello es el tomate Flavr Savr, una especie de tomate modificado genéticamente mediante la tecnología del ARN antisentido. Tiene un gran valor económico, ya que el tomate transgénico puede transportarse fácilmente de un lugar a otro.

Otra aplicación importante de la ingeniería genética son los alimentos modificados genéticamente o por ingeniería genética.

La calidad de algunos de los productos alimentarios, como el algodón, el maíz y la soja, se mejora utilizando la actual tecnología del ADN recombinante. El objetivo de desarrollar cultivos o especies vegetales modificados genéticamente es hacerlos económicamente importantes, nutritivos, ricos en proteínas, resistentes a las enfermedades y al estrés.

Incluso, utilizando técnicas de ingeniería genética y de cultivo de tejidos se desarrollan especies vegetales resistentes a los insecticidas en el tabaco, la patata, el maíz y el algodón.

Además, también se pueden crear algunas plantas modificadas capaces de generar sus propios fertilizantes mediante la presente técnica de modificación genética.

Se desarrollan organismos modelo transgénicos para probar diferentes parámetros: la función de ciertos genes puede determinarse mediante el diseño de los modelos de microorganismos y animales transgénicos.

Los patógenos nocivos y las pastillas insecticidas pueden destruirse utilizando microorganismos modificados genéticamente que son capaces de degradar los tóxicos.

Aplicaciones medicinales:

Se crean medicamentos, hormonas, enzimas y vacunas de bajo coste utilizando herramientas de ingeniería genética.

El factor anticoagulante es el mejor ejemplo de ello, en el que la enzima activadora del plasminógeno, capaz de disolver el coágulo sanguíneo, se diseña artificialmente y se utiliza en los pacientes con enfermedades de las arterias coronarias o ataques al corazón.

Otros ejemplos son otras dos proteínas terapéuticas, la somatostatina y las linfocinas, que funcionan contra varias enfermedades y pueden sintetizarse artificialmente. La insulina es todavía un ejemplo clásico de una proteína terapéutica diseñada mediante tecnología de ingeniería genética.

Un gen de la insulina se aísla por digestión de restricción o mediante PCR y se inserta en el plásmido. El ADN del plásmido recombinante se inserta inmediatamente en la célula bacteriana o de levadura en la que se multiplica el plásmido. Cuando el microorganismo comienza a dividirse, empieza a producir insulina artificial.

Se produce una gran cantidad de insulina utilizando la misma técnica a escala industrial. El esquema detallado de la producción de insulina se muestra en la siguiente figura,

La producción comercial de insulina comenzó tras la aprobación de la FDA en 1982.

Vacunas recombinantes:

Las vacunas contra la viruela, el virus del herpes simple y la hepatitis se producen mediante la técnica de la ingeniería genética. Las vacunas son las partículas virales inactivadas que se utilizan para inducir una respuesta inmune contra ese patógeno, sin embargo, la posibilidad de contaminación es alta en ella.

Usando la tecnología del ADN recombinante, los científicos han creado un tipo único de vacunas que sólo contiene el ADN de la proteína de la cubierta viral, por lo que el patógeno no puede volver a activarse. Su principal ventaja es que es más segura, libre de contaminación y más reactiva.

Ingeniería genética en la terapia génica:

Utilizando la técnica de terapia génica o transferencia de genes, se pueden curar trastornos genéticos heredados. Las terapias génicas similares a la fibrosis quística, la distrofia muscular de Duchenne y la anemia de células falciformes se encuentran ahora en la fase final de ensayo clínico y están listas para ser utilizadas en pacientes.

En la terapia génica, un gen defectuoso, no funcional o mutado se sustituye por el de tipo salvaje utilizando la misma técnica explicada anteriormente.

Hemos cubierto increíbles artículos sobre la terapia génica, léalo aquí:

1. Terapia génica: Tipos, Vectores , Proceso, Aplicaciones y Limitaciones.
2. ¿Qué es la terapia génica? y ¿Cómo funciona?
3. Terapia génica mediada por ADN desnudo
4. Sistema de transposones de la Bella Durmiente: El futuro de la terapia génica

Además de esto, la tecnología de la ingeniería genética se utiliza igualmente en la producción de biocombustibles, enfermedades, bioalcohol y otros productos esenciales.

Limitaciones de la ingeniería genética:

Hay cuestiones éticas asociadas con el uso de la terapia genética y los productos de ingeniería genética.

Además, para proporcionar un valor económico al producto alimenticio o a cualquier producto transgénico, los valores nutricionales se ven comprometidos.

Debido a su efecto adverso, se desarrollan más rápidamente nuevas cepas patógenas resistentes.

Además, los efectos secundarios de la terapia génica y el uso de virus en ella son perjudiciales para el organismo objetivo.

La tecnología es más costosa ya que la terapia génica cuesta hasta 50.000 dólares.

Conclusión:

Jugar con el embrión o el feto va en contra de la ley natural, la gente cree firmemente en ello, por lo que los alimentos y productos vegetales modificados genéticamente se convierten siempre en un centro de controversia.

Sin embargo, utilizando herramientas de ingeniería genética como la terapia genética y la técnica de transferencia de genes, se pueden prevenir trastornos hereditarios y enfermedades letales como el cáncer. El uso positivo de las técnicas de ingeniería genética puede cambiar el destino de la humanidad.

Fuentes:

1. Comité del Consejo Nacional de Investigación (EE.UU.) para identificar y evaluar los efectos no deseados de los alimentos modificados genéticamente en la salud humana. Safety of Genetically Engineered Foods: Approaches to Assessing Unintended Health Effects. Washington (DC): National Academies Press (EEUU); 2004. 2, Methods and Mechanisms for Genetic Manipulation of Plants, Animals, and Microorganisms.
2. Wallace RB. Principles of gene manipulation. Una introducción a la ingeniería genética. Estudios en microbiología. Am J Hum Genet. 1981;33(4):652-653.