Enginyeria genètica

L'enginyeria genètica és el procediment tecnològic que s'utilitza per a manipular els gens d'un organisme. La producció d'uns organismes genèticament modificats pot ser també un dels objectius de l'enginyeria genètica.

HistòriaModifica

El 1978 Daniel Nathans i Hamilton Smith van rebre el premi Nobel en medicina pel seu aïllament dels enzims de restricció anomenats endonucleases que es va demostrar que eren capaces de tallar l'ADN en llocs específics. Junt amb l'enzim ligasa que pot ajuntar fragments d'ADN aquests catalitzadors formen la base de la tecnologia de l'ADN recombinant.

Processos i tècniquesModifica

L'enginyeria genètica fa servir procediments que aconsegueixen la clonació o la transferència genètica amb l'aïllament, manipulació reintroducció d'ADN als organismes vius per generar noves característiques. L'enginyeria genètica fa servir la tècnica de clonació utilitzant com a vector un plasmidi (molècula d'ADN circular de doble cadena pròpia dels procariotes, que pot existir i replicar-se independentment del cromosoma o estar integrat en el mateix) o un fagovirus (virus paràsit d'altres virus) i la tècnica de la mutagènesi (producció de mutacions sobre ADN, clonat o no). Les manipulacions per enginyeria genètica segueixen essencialment 5 passos:

  1. Aïllament dels gens d'interès.
  2. Inserció dels gens en un vector de transferència.
  3. Transferència del vector (amb el gen inserit a dins) a l'organisme que es vol modificar.
  4. Transformació de les cèl·lules de l'organisme.
  5. Selecció d'aquells organismes en què s'ha aconseguit obtenir un Organisme Genèticament Modificat.

La tecnologia de l'ADN recombinantModifica

Article principal: ADN recombinant
 
A. tumefaciens adherint-se a una cèl·lula de pastanaga.

La tecnologia de l'ADN recombinant consisteix a aïllar i manipular un fragment d'ADN d'un organisme per a "re-combinar-lo" amb el d'un altre organisme[1]

Generalment es tracta l'ADN amb una endonucleasa de restricció que origina en aquest cas un tall escalonat en els dues bris dobles d'ADN. Els extrems escalonats d'ambdues bris d'ADN són complementaris, una condició que han de tenir si es volen unir. Els dos ADNs així tallats es barregen, s'escalfen i es refreden suaument. Els seus extrems cohesivos s'apariaran donant lloc a un nou ADN recombinat, amb unions no covalents. Les unions covalents es formen afegint ADN ligasa i una font energètica per formar els enllaços.

Un altre enzim clau per unir ADNs és la transferasa terminal, que pot addicionar molts residus de desoxirribonucleòtids successius a l'extrem 3´dels bris de l'ADN. D'aquesta manera poden construir-se cues de poli Guanina en els extrems 3´ d'una dels bris d'ADN i cues de poli Citosina en els extrems de l'altra cadena. Com aquestes cues són complementàries, permetran que els dos ADNs s'uneixin per complementarietat. Posteriorment, es formen els enllaços covalents per l'ADN ligasa.

L'ADN recombinat s'insereix en un ADN vector que actuï com a vehicle per introduir-lo en una cèl·lula hostessa que ho repliqui, els vectors o transportadors més utilitzats són els plasmidis i l'ADN del fago lambda.

La seqüenciació de l'ADNModifica

Article principal: Seqüenciació de l'ADN

És un conjunt de tècniques que permeten conèixer l'ordre en què apareixen els nucleòtids en l'ADN,[2] que és la base de la informació genètica dels organismes. Aquesta tècnica té aplicacions mèdiques, com la recerca d'algun polimorfisme genètic que s'associï amb una malaltia; bàsiques: comparar la història evolutiva d'un organisme; o forenses.

La reacció en cadena de la polimerasa (PCR)Modifica

La tècnica de la PCR aprofita l'activitat enzimàtica per la qual es replica l'ADN en les cèl·lules per aconseguir una gran quantitat de còpies d'ADN a partir de quantitats petites.[3]S'utilitza una polimerasa o una barreja de diverses que puguin resistir temperatures elevades, sent la més comuna la polimerasa taq.

La tècnica consisteix a realitzar diversos cicles de temperatures elevades per aconseguir la desnaturalització de l'ADN i temperatures més baixes per a l'amplificació de l'ADN desnaturalitzat mitjançant la polimerasa.

AplicacionsModifica

En el cas d'actuar sobre microbis l'enginyeria genètica s'anomena blanca, quan actua sobre plantes s'anomena enginyeria verda i roja quan ho fa sobre animals incloent també els humans. Exemple de la utilitat de l'enginyeria genètica és la producció d'insulina humana a través de bacteris modificats i l'obtenció de noves races de rates de laboratori amb diverses malalties per a poder investigar sobre elles.

PlantesModifica

Utilitza, entre altres vectors, l'Agrobacterium bacteri que en la natura origina deformacions en les plantes i la crucífera Arabidopsis sp. com a model d'estudi.

S'han aconseguit així, entre altres coses, introduir gens que poden fer les plantes resistents a determinat herbicida, letals a insectes que les ataquen o fer plantes que acumulen substàncies medicinals útils.

AnimalsModifica

Es fan servir vectors retrovirals, microinjecció d'ADN a ous fertilitzats, de cèl·lules mare totipotents i clonació per transferència nuclear.

En animals de granja les finalitats que s'obtenen amb aquesta tècnica són múltiples. Es pot destacar la producció de llet modificada que pot incorporar productes medicinals.

Els animals transgènics, com ara, la vaca Huomen, serveixen de model per a estudiar malalties humanes.

Objeccions a la manipulació genèticaModifica

L'opinió pública es mostra en general més favorable al consum de medicines obtingudes per transformació genètica que als usos alimentaris.

La manipulació genètica en éssers humans planteja en moltes persones objeccions de tipus moral o ètic.

Avantatges i inconvenientsModifica

Gràcies a l'enginyeria genètica, els científics poden fer certes combinacions entre gens de diferents espècies, per tal de solucionar problemes i millorar el rendiment econòmic comercial de les explotacions.

Es poden buscar cures a malalties genètiques perquè les noves generacions neixin més sanes.

Amb l'agricultura, la ciència ha aconseguit què es conreïn amb major tolerància a les sequeres o protegits enfront de reblaniment.

En alguns cultius, s'han posat gens de bacteris perquè es desenvolupin proteïnes insecticides i reduir l'ús d'insecticides.

També es poden utilitzar gens humans responsables de la producció d'insulina en cèl·lules bacterianes per obtenir insulina de gran qualitat a baix cost. Aquestes cèl·lules poden produir molta quantitat, ja que es produeixen a una gran velocitat.

Però, un d'aquests perills és el fet que darrere dels projectes de manipulació genètica hi ha companyies multinacionals molt preocupades per l'interès econòmic, també es pot contaminar a altres plantes no transgèniques.

Poden arribar a ser cancerígenes en el cas de ser consumits per subjectes productius o en un estat immunològic deficient. No obstant això és una hipòtesi, però, que molts metges que estan en contra dels aliments transgènics ho afirmen.

També pot produir al·lèrgies, cosa que preocupa molt als productors d'aquests aliments. Potser debut al material genètic transferit, a la formació inesperada d'un al·lergen o a la falta d'informació sobre la proteïna que codifica el gen inserit.

Biotecnologia genèticaModifica

En la dècada de 1970 es van obrir noves perspectives en el camp de les biotecnologies gràcies a l'elaboració de noves tècniques que permeten arribar directament al material que està en l'origen de totes les característiques i processos vitals, és a dir, l'ADN. Aquest conjunt de tècniques moleculars de manipulació genètica rep el nom d'enginyeria genètica.

El seu objectiu és la manipulació in vitro de l'ADN, la introducció d'aquest ADN així modificat en cèl·lules vives i la incorporació del mateix com a part del material hereditari d'aquestes cèl·lules. D'aquesta manera, ADN de diverses procedències, per exemple, la fracció d'ADN humà que regula la síntesi d'insulina, pot introduir-se en bacteris de manera que passa a formar part del seu genoma i aconseguir així que el bacteri adquireixi la capacitat d'elaborar insulina.

Teràpia genèticaModifica

La teràpia genètica consisteix a substituir o afegir, segons el cas, una còpia normal de la regió defectuosa de l'ADN per poder solucionar i restablir la funció alterada, evitant el desenvolupament de malalties d'origen genètic,[4] com per exemple la facultat defensiva davant les malalties infeccioses. Les malalties amb les quals s'ha començat a treballar són, entre unes altres, la deficiència de l'enzim ADA (adenosina desaminasa), coneguda com la dels nens bombolla i la DMD o distròfia muscular de Duchenne.

La possibilitat de guarir les malalties genètiques amb un tractament específic justifica els esforços que s'estan realitzant en aquest sentit.

Implicacions ètiquesModifica

L'enginyeria genètica té aplicacions en camps molt diversos; dos dels més importants són la medicina i la creació de noves espècies o millora de les existents. El progrés en aquests àmbits pot aportar resultats capaços d'alleujar alguns problemes de gran importància, però no s'ha d'oblidar que l'explotació comercial de les tecnologies requerides només està a l'abast d'unes poques empreses multinacionals. Com era d'esperar, la tradicional dependència econòmica dels països subdesenvolupats té en l'enginyeria genètica un nou element de desequilibri. En un altre ordre de coses, l'enginyeria genètica pot plantejar greus problemes ètics. Hi ha opinions molt diverses sobre on han de situar-se els límits de manipulació del material que està a la base de tots els processos vitals.

A l'inici dels experiments de l'ADN recombinant, diversos investigadors van mostrar la seva preocupació pels riscos que es poden realitzar amb aquestes tècniques. A diversos països es van crear comitès per discutir l'ús i l'aplicació de tècniques d'enginyeria genètica.[5]

Enginyeria genètica en éssers viusModifica

Enginyeria genètica en bacterisModifica

Són els éssers vius més utilitzats en Enginyeria Genètica. La més utilitzada és l'Escherichia coli. S'usa pràcticament en tots els processos d'I.G.[6]

Una altra de les aplicacions més actuals que s'han fet, ha estat modificar genèticament bacteris que visquin en el sistema digestiu de l'ésser humà en un lapse mínim de 6 mesos a 1 any, amb l'objectiu de disminuir l'apetit. Aquesta investigació es basa en N-acil-fosfatidiletanolamina, i N-acil-etanolamina, encarregades de manar senyals al hipotàlem, que és l'encarregat de la ingesta d'aliments.

Enginyeria genètica en llevats i fongsModifica

Són juntament amb els bacteris els sistemes més utilitzats. El Saccharomyces cerevisiae va ser el primer sistema eucariota seqüenciat completament.[7] Un altre llevat important és P. pastoris, utilitzada per aconseguir proinsulina en cultiu discontinu i quitinasa en cultiu continu. En el camp dels fongs destaca per la seva labor mèdica el Penicillium.

Una altra aplicació ha estat el llevat P. pastoris s'ha usat per produir grans quantitats de proteïnes, gràcies a que és capaç de créixer en els reactors fins a aconseguir molt altes densitats cel·lulars. Per exemple, s'ha utilitzat per produir quitinasa humana en cultiu continu (0,3 g/L/dia) o proinsulina humana en un sistema discontinu (1,5 g/L).

Enginyeria Genètica en animalsModifica

Producció animal per enginyeria genètica:

La manipulació genètica dels animals persegueix múltiples objectius: augmentar el rendiment del bestiar, produir animals amb malalties humanes per a la investigació, elaborar fàrmacs, etc.

Peixos transgènics: les principals aplicacions en animals s'han realitzat en peixos, a causa que la fecundació és externa, la qual cosa permet la introducció del gen en el zigot abans que s'uneixin el nucli de l'espermatozoide i el de l'òvul. S'han produït carpes transgèniques que creixen molt més ràpid, a causa de la incorporació del gen de l'hormona del creixement de la truita, i salmons transgènics, que resisteixen millor les baixes temperatures.

Mamífers: s'han obtingut ratolins transgènics, amb diferents gens modificats.[8] No obstant això, encara la seva aplicació per a la millora d'espècies és preliminar, enfocant-se l'estudi des d'un punt de vista més aviat purament científic.

Enginyeria Genètica en plantesModifica

Actualment s'han desenvolupat plantes transgèniques de més de quaranta espècies. Mitjançant enginyeria genètica s'han aconseguit plantes resistents a malalties produïdes per virus, bacteris o insectes.[9]Aquestes plantes són capaces de produir antibiòtics, toxines i altres substàncies que ataquen als microorganismes. També s'han aconseguit un altre tipus de millores, com la producció de diferents substàncies en els aliments que augmenten la seva qualitat nutricional, millorar les qualitats organolèptiques d'un producte o que certes plantes siguin més resistents a determinats factors ambientals, com el fred.

Un gran exemple d'això és el bacteri Agrobacterium tumefaciens que té la capacitat  de transferir ADN entre regnes diferents. L'impacte d'aquesta troballa ha tingut grans aplicacions en diversos camps de la biologia vegetal, agricultura i biotecnologia. Així mateix, aquesta interacció ha donat motiu a formular models de senyalització cel·lular, transporti cèl·lula a cèl·lula, import nuclear de proteïnes i ADN i mecanismes d'integració  genòmica (Tzfira i Citovsky, 2000). Durant el procés d'infecció A. tumefaciens introdueix en la cèl·lula vegetal una part del seu ADN (ADN de transferència) el qual és integrat dins del genoma de la planta. Els gens de l'ADN-T són expressats en la seva hoste i indueixen la formació de tumors i la síntesi d'uns derivats d'aminoàcids anomenats opines els quals són aprofitats pel bacteri.[10]

Les tècniques d'enginyeria genètica també permeten el desenvolupament de plantes que donin fruits de maduració molt lenta. Així, és possible recollir tomàquets madurs de la tomatera i que arribin al consumidor conservant intactes el seu sabor, olor, color i textura. La millora de la qualitat de les llavors és també un objectiu.

Les aplicacions farmacèutiques són un altre gran punt d'interès. La biotecnologia permet desenvolupar plantes transgèniques que produeixen substàncies d'interès farmacològic, com a anticossos, certes proteïnes o hormones, com l'hormona del creixement.

Aplicacions de l'Enginyeria Genètica en medicina i indústria farmacèuticaModifica

Obtenció de proteïnes d'éssers viusModifica

Una sèrie d'hormones com la insulina, l'hormona del creixement, factors de coagulació, etc., tenen un interès mèdic i comercial molt gran. Abans, l'obtenció d'aquestes proteïnes es realitzava mitjançant la seva extracció directa a partir de teixits o fluids corporals. En l'actualitat, gràcies a la tecnologia de l'ADN recombinant, es clonen els gens de certes proteïnes humanes en microorganismes adequats per a la seva fabricació comercial. Un exemple típic és la producció d'insulina[11]que s'obté a partir del llevat Sacharomyces cerevisae, on es copia el gen de la insulina en humans.

Obtenció de vacunes recombinantsModifica

El sistema tradicional d'obtenció de vacunes a partir de microorganismes patògens inactius, pot comportar un risc potencial. Moltes vacunes, com la de la hepatitis B,[12] s'obtenen actualment per enginyeria genètica. Com la majoria dels factors antigènics són proteïnes el que es fa és clonar el gen de la proteïna corresponent.

Vacunes atenuades: S'eliminen els gens de virulència d'un agent infecciós per provocar una resposta immune. L'organisme modificat genèticament pot usar-se com el que és cridat una vacuna ?viva? sense que existeixi risc que es reverteixi al tipus virulent.

Actualment s'està assajant una vacuna de ceps estables del Vibrio cholerae, aquest es troba desproveït del gen que codifica pel seu enterotoxina, la qual provoca la malaltia. Un altre assaig existent ha estat en la Salmonella, on se li han llevat certs gens que encara que no són virulents, converteixen al cep en atenuada una vegada desapareguts, és a dir que disminueixen la seva virulència 1.000.000 de vegades. La seva efectivitat ha aconseguit demostrar-se en ovelles, bovins, pollastres i fins a en humans recentment

Vacunes d'organismes recombinants vius: Per a aquestes s'utilitzen microorganismes no patògens als quals s'incorporen gens d'agents patògens que codifiquen per als antígens que desencadenen la resposta immune. El virus vacunal té un genoma ampli i seqüenciat que permet acomodar diversos gens forans en el seu interior pel que és un vector recombinant molt utilitzat. A partir d'aquest mètode s'ha aconseguit desenvolupar la vacuna contra la ràbia inserint el genoma del virus, provocant la resposta immune en l'organisme de l'hoste. D'igual manera s'han assajat les expressions de gens que codifiquen per a antígens de virus de l'hepatitis B, de la grip i de l'herpes simple. Amb aquest mètode, es podria aconseguir el desenvolupament de vacunes que immunitzin simultàniament per a diverses malalties, inserint en el virus recombinant diversos gens de diferents organismes patògens alhora.

Vacunes de subunitats: Per a agents infecciosos que no es poden mantenir en cultiu, s'aïllen els gens que codifiquen per a les proteïnes causants de la resposta. Aquests gens es poden clonar i expressar en un hoste alternatiu tals com a bacteris, llevats o línies cel·lulars de mamífers. Després d'inserit el gen d'interès, el bacteri o llevat recombinant inicia amb la producció de subunitats de proteïnes en grans quantitats, mateixes que són recol·lectades i purificades per utilitzar-les com a vacunes. La vacuna contra l'hepatitis B va ser la primera posada al mercat i sent produïda per aquest mètode.

Vacunes d'ADN: Consisteixen en plasmidis en els quals s'introdueix tan sols una diminuta quantitat del material genètic del patogen contra el qual es pretén lluitar. En injectar el plasmidi en el múscul o la pell, aquest penetra dins de la cèl·lula i arriba al nucli, comandant llavors la producció dels antígens del patogen que desencadenaran la resposta immune. Així, es trasllada la fàbrica de la vacuna als teixits de l'hoste. En l'actualitat es realitzen assajos de diverses vacunes d'aquest tipus, alguns exemples són la vacuna per a l'hepatitis B, per a la malària, per a la grip, per a l'herpes simple i per a la SIDA.

Diagnòstic de malalties d'origen genèticModifica

Coneixent la seqüència de nucleòtids d'un gen responsable d'una certa anomalia, es pot diagnosticar si aquest gen anòmal està present en un determinat individu.

Fins ara ha estat possible la localització dels gens responsables de la fibrosis quística, la distròfia muscular, l'hemofília o l'Alzheimer.[13] Per identificar aquests gens s'usen sondes d'ADN.

La clonació de gens pot rendir dos tipus de productes: el DNA clonat, útil com a reactiu específic en assajos de diagnòstic per hibridació o bé els productes proteics dels gens clonats (antígens purificats per inmunodiagnòstic en producció de vacunes).

Hi ha descrites prop de 500 malalties hereditàries produïdes per mutacions recessives. Les tècniques d'enginyeria genètica han servit per diagnosticar algunes d'elles, per exemple, l'anèmia falciforme.

Obtenció d'anticossos monoclonalsModifica

Aquest procés obre les portes per lluitar contra malalties com el càncer i diagnosticar-ho fins i tot abans que apareguin els primers símptomes.

L'interferó va ser el primer medicament produït per enginyeria genètica.[14] És utilitzat com a medicament complementari a la quimioteràpia per a la cura del càncer. La seva producció era cara fins al 1980, però gens d'interferó van ser introduïts en bacteris usant tecnologia de recombinació de l'ADN permetent així el cultiu massiu i purificació de les emissions bacterianes.

Vegeu tambéModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Enginyeria genètica

ReferènciesModifica

  1. Echegaray, Jaione Pozuelo. La Biología en 100 preguntas (en castellà). Edicions Nowtilus S.L., 5 d'octubre de 2016. ISBN 9788499678160 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  2. Teijón, José María. Fundamentos de bioquímica estructural (en castellà). Editorial Tebar, 2006. ISBN 9788473602280 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  3. Tortora, Gerard J.; Funke, Berdell R.; Casi, Christine L. Introducción a la microbiología (en castellà). Ed. Mèdica Panamericana, 2007. ISBN 9789500607407 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  4. Aldridge, Susan. El hilo de la vida: De los genes a la ingeniería genética (en castellà). Ediciones AKAL, juliol de 1999. ISBN 9788483230503 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  5. O. N. Environment. «Frontiers 2018/19: Emerging Issues of Environmental Concern» (en anglès). UNEP - UN Environment Programme, 04-03-2019. [Consulta: 3 gener 2021].
  6. Torrens, David Bé. ¿Para qué sirven los transgénicos? : todas las claves de una tecnología útil y controvertida (en castellà). Edicions Universitat Barcelona, 2011-11. ISBN 9788447535453 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  7. Cereijido, Marcelino. Por Qué No Tenemos Ciencia (en castellà). Segle XXI, 1 de gener de 1997. ISBN 968232095X [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  8. Virgili, Rafael Oliva; Taboada, José Manuel Vidal. Genoma humano: nuevos avances en investigación, diagnóstico y tratamiento (en castellà). Edicions Universitat Barcelona, 2006. ISBN 9788447530359 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  9. Beltrán, José Piulo; Porter, José-Pío (et al ) Beltrán; Olmedo, Francisco García; Pere, Puigdomènech. Plantas transgénicas (en castellà). Universitat de Salamanca, 2003. ISBN 9788478007189 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  10. Valderrama, A., Arango, R. i Afanador, L. (2005). Transformación de plantas mediada por agrobacterium: "Ingeniería genética natural aplicada". Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín, 58(1), 2569-2585.
  11. Cuéllar, Alicia Yolanda Dorantes; Sibaja, Cristina Martínez; Aguirre, Alfredo Ulloa. Endocrinología clínica de Dorantes y Martínez (en castellà). Editorial El Manual Modern, 10 de maig de 2016. ISBN 9786074485585 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  12. Ats/due Servicio de Salud de Castilla Y Leon. Temario Vol Iii Ebook (en castellà). MAD-Eduforma. ISBN 9788466548687 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  13. (ed.), Carlos María Romeo Casabona. Genética humana (en castellà). Universitat de Deusto, 15 de gener de 2009. ISBN 9788498307436 [Consulta: 27 novembre 2017]. 
  14. Medigraphic. Medica del Hospital General (en castellà). Medigraphic, desembre de 1991 [Consulta: 27 novembre 2017].