¿Qué es la Ingeniería Genética?

Para la producción de ADN y proteínas recombinantes se requiere de unas técnicas básicas, agrupadas bajo el nombre de Ingeniería Genética.

La Ingeniería Genética es una rama de la genética que se centra en el estudio de la molécula de ADN, pero enfocándose más bien en la manipulación de ésta. Es decir, nos otorga las herramientas básicas para poder manipular la información genética de los organismos con un propósito determinado.

Cada organismo posee en su secuencia de ADN unos genes distintos, que son los que le confieren sus características propias. Los genes controlan todos los aspectos de la vida de un individuo: características físicas, metabolismo, reproducción, desarrollo… Por tanto, puesto que los genes (en su definición clásica) poseen la información para la síntesis de una proteína, son estas proteínas las responsables de las diferencias entre especies diferentes, y entre individuos de la misma especie. Es aquí donde radica el potencial de la ingeniería genética, pues gracias a ella  somos capaces de identificar el gen que codifica para una proteína dada, aislarlo, manipularlo o incluso insertarlo en otra especie distinta.

Para ello, la ingeniería genética dispone de dos herramientas básicas, las enzimas de restricción y las ligasas.

Las enzimas de restricción son las llamadas tijeras moleculares o tijeras de ADN, pues su función es la de cortar la molécula de ADN. Se trata de enzimas que reconocen una secuencia de nucleótidos concreta (hay cientos de enzimas de restricción diferentes, y cada una reconoce una secuencia distinta) y cortan en sus inmediaciones.

Modo de actuación de las enzimas de restricción

Las ligasas, sin embargo, llevan a cabo la acción contraria. Se trata pues del pegamento de ADNpegamento molecular, pues su modo de acción consiste en reconocer dos secuencias compatibles y catalizar la unión entre ambas. El hecho de que sean compatibles es muy importante, pues la ligasa únicamente va a actuar si los dos fragmentos son capaces de establecer uniones entre sí(1), de forma que serán lo suficientemente estables como para que la ligasa pueda catalizar la unión covalente (permanente) entre ambos.

Ligasa

Modo de acción de una ADN ligasa

De esta forma, gracias a estas dos herramientas, va a ser posible eliminar el gen de una secuencia y restaurar el sitio vacío, o sacar un gen para introducirlo en otro lugar. Las posibilidades que esto ofrece las iremos viendo en sucesivos post.


(1): se trata de una simplificación, pues existen enzimas de restricción capaces de catalizar la unión entre dos extremos romos. No obstante, en la mayoría de casos prácticos se utilizan enzimas que actúan según el modo descrito.

Éxitos transgénicos: la insulina

Desde su descubrimiento, la insulina se ha convertido en una de las moléculas más estudiadas de la historia de la medicina. Como todos sabemos, la insulina es una proteína  relacionada con la diabetes, una enfermedad que afecta a un amplio porcentaje de la población.

No obstante, el vínculo entre insulina y diabetes no ha estado siempre tan claro, de modo que inicialmente el único tratamiento conocido para controlar la diabetes era la ingestión de una dieta baja en carbohidratos y alta en proteínas y grasas, que actúan retrasando la asimilación de los azúcares.

No fue hasta 1922 cuando se administró por primera vez insulina para tratar la diabetes, concretamente un extracto de hígado de ganado que, debido a las impurezas presentes, producía grandes reacciones alérgicas. Los experimentos avanzaron, intentando encontrar la dosis exacta necesaria para una correcta respuesta del organismo,  obteniendo resultados más o menos satisfactorios.

La revolución se inicia en 1926, año en que se consigue la cristalización de la proteína(1). Posteriormente, en 1955, Sanger consigue descifrar su composición(2), obteniendo que estaba formada por dos cadenas de 21 y 30 aminoácidos (cadenas A y B, respectivamente) unidas por puentes disulfuro establecidos entre varios residuos de cisteína. El conocimiento de la secuencia y estructura de una molécula es vital, pues ayuda a entender cómo funciona en el organismo, las interacciones que se producen… Hay que destacar que la insulina fue una de las primeras proteínas cristalizadas, y la primera en ser secuenciada.

Secuencia de la Insulina

Secuencia aminoacídica de la insulina

Por aquel entonces, 60 años después del primer ensayo realizado en humanos, la insulina que se administraba a los diabéticos se obtenía de vacas y cerdos, con un efecto muy similar al producido por la variante humana, pero también con numerosos problemas de tipo alérgico derivados de las impurezas con las que se obtenía, como por ejemplo erupciones cutáneas. En 1963, la insulina se convirtió en la primera proteína en ser sintetizada in vitro, por Meinhofer y colaboradores(3) , pero con un rendimiento bastante pobre, lo que impedía su utilización masiva contra la diabetes.

Así llegamos a la insulina recombinante ya que, en el año 1978, gracias al desarrollo de la ingeniería genética se consigue la síntesis de la insulina mediante técnicas biotecnológicas4 (una vez más, es la primera proteína en la que se llevan a cabo).

El procedimiento llevado a cabo fue muy ingenioso, utilizando las bacterias Escherichia coli (E. coli para los amigos) como factorías en miniatura para producir de forma separada las cadenas A y B de la insulina humana, introduciendo para ello los genes  que las codifican en las bacterias mediante un vector (pBR322). Posteriormente se llevaba a cabo la purificación, plegamiento y unión in vitro de las cadenas, mediante la oxidación de las cisteínas para formar los puentes disulfuro de la proteína activa.

Proceso de obtención de una proteína recombinante

Proceso de obtención de una proteína recombinante

El resultado fue una insulina humana (denominada comercialmente Humulin), más barata de producir, potente y segura, ya que no mostraba los problemas que producían las homólogas animales. Empezó a distribuirse a principios de los años 80 como tratamiento contra la diabetes, siendo (una vez más) la primera proteína recombinante aprobada como medicamento.

Hoy en día, prácticamente todos los diabéticos son tratados con algún tipo de insulina recombinante, pues se han conseguido numerosos análogos con diferentes cualidades (de efecto retardado, más potente…).

Humulina

Humulina: la insulina recombinante

No obstante, la investigación no termina aquí. En los últimos años se está consiguiendo que otros organismos genéticamente modificados produzcan insulina humana, con numerosas ventajas. Por ejemplo, científicos argentinos han obtenido vacas transgénicas que producen leche enriquecida en pro-insulina humana(5), lo que facilitaría enormemente el trabajo de purificación de la proteína. Lo mismo ocurre con el cártamo (Carthamus tinctorius L., azafrán bastardo), que se ha modificado para que produzca insulina humana en sus semilla(6).


Con este artículo participé en los Premios Tesla de divulgación científica.


Referencias:

1 Abel, J. 1926. Crystalline insulin”. Proceedings of the National Academy of Sciences12: 132 – 136.

 2 Brown, H., Sanger, F. & Kitai, R. 1955. “The structure of pig and sheep insulins”,Biochemical Journal. 60(4): 556–565.

Meienhofer, J., Schnabel, E., Bremer H, Brinkhoff, O., Zabel, R., Sroka, W.,  Klostermeyer, H., Brandenburg, D., Okuda, T. & Zahn, H. 1963. “Synthese der Insulinketten und ihre Kombination zu insulactiven Präparaten”. Naturforsch. 18:1120.

4 GoeddelDetal. 1979. “Expression in Escherichia coli of chemically synthesized genesfor human insulinProceedings of the National Academy of Sciences. 76: 106 – 11.

5http://www.reuters.com/article/2007/04/18/usbiotechargentinadiabetesidUSN1744610320070418

 6 http://www.isis.org.uk/gmSaffloweHumanProInsulin.php

¿Por qué “recombinantes”?

Se conoce como ADN recombinante a aquella molécula de ADN formada por la unión de secuencias provenientes de organismos distintos, normalmente alejados filogenéticamente, gracias al uso de las técnicas de la ingeniería genética.

¿Y qué utilidad tiene? Pues mucha.

Gracias al uso esta técnica cabe la posibilidad de coger un gen cualquiera y, mediante el uso de vectores, introducirlo en un organismo receptor para que exprese este gen. De esta forma, hoy en día somos capaces de utilizar bacterias, gracias a su facilidad de manejo y cultivo, para producir proteínas que de forma natural no son capaces de producir (conocidas como proteínas recombinantes): insulina para el tratamiento de diabéticos, hormona del crecimiento, vacunas, pruebas para la infección del VIH, pruebas de embarazo…

Pero no solo de proteínas vive el hombre. Gracias a la introducción de proteínas recombinantes se puede hacer que ciertos organismos sean capaces de producir sustancias que antes no eran capaces de generar. Es el caso, por ejemplo, del ácido cítrico, ácido láctico, colorantes, adhesivos…

Lo que quiero decir con esta introducción (cuyos conceptos técnicos iré desarrollando a lo largo de diferentes entradas) es que hoy en día las moléculas recombinantes están muy presentes en nuestras vidas, para bien o para mal, las conozcamos o las ignoremos. Este humilde blog tiene el objetivo de concienciar de la importancia de esta tecnología, desde un punto de vista más divulgativo que científico, así como de otras técnicas básicas de la biología molecular y la ingeniería genética.

Aprendamos entre todos.