Biotecnología Microbiana
La biotecnología comprende todos aquellos procesos tecnológicos que utilizan organismos vivos, sus capacidades metabólicas o sus derivados para generar productos de interés para los humanos o para solucionar problemas sanitarios o medioambientales.
Esto incluye a la ingeniería genética, la mayor parte de cuyos procedimientos se sirven de microorganismos:
- Cuando se corta ADN (para extraer un gen, por ejemplo) se hace con endonucleasas de restricción bacterianas.
- Cuando se lleva un gen de un organismo a otro para conseguir organismos transgénicos, se hace dentro de un vector que lo meta en la célula receptora. Este vector es un virus atenuado o un plásmido bacteriano.
- Cuando se trata de conseguir un organismo transgénico con el fin de que fabrique y excrete grandes cantidades de un producto de interés, siempre se utilizan bacterias.
Biotecnología microbiana industrial
- Fabricación del vino. Es una fermentación alcohólica llevada a cabo fundamentalmente por la levadura Saccharomyces cerevisiae. Se fermentan hasta etanol la glucosa y la fructosa del mosto de la uva.
- Fabricación de cerveza. Es una fermentación alcohólica llevada a cabo fundamentalmente por la levadura Saccharomyces cerevisiae. Se fermenta hasta etanol la maltosa contenida en semillas de cebada germinadas.
- Fabricación del pan. Es una fermentación alcohólica llevada a cabo fundamentalmente por la levadura Saccharomyces cerevisiae. Se fermenta hasta etanol el almidón de la harina. El etanol se evapora al ser horneado el pan y el CO2 producido hace que el pan sea esponjoso.
- Fabricación de productos lácteos. Es una fermentación láctica llevada a cabo por bacterias como Lactobacillus bulgaricus. Se transforma la lactosa de la leche en el ácido láctico del yogur, cuajada, kéfir o queso.
- Fabricación del vinagre. Es una respiración aeróbica llevada a cabo por bacterias. Se oxida el etanol del vino a ácido acético.
- Obtención de antibióticos naturales o semisintéticos (derivados artificiales de los naturales) a partir de hongos y bacterias cultivados en grandes reactores:
- Penicilinas semisintéticas por modificación de las producidas naturalmente por el hongo Penicillium.
- Obtención de enzimas
- Proteasas, amilasas y lipasas, empleadas en la fabricación de detergentes.
- Enzimas de arqueas termófilas e hipertermófilas, que presentan su máxima actividad a elevadas temperaturas, útiles en algunos procesos de las industrias alimentarias o en detergentes.
- Renina, empleada para la cuajar la leche en la elaboración del queso, en sustitución del cuajo natural.
- Producción de sustancias de interés sanitario por manipulación genética. Se utilizan bacterias modificadas genéticamente a las que se les ha clonado un gen humano de interés. Las bacterias transgénicas pueden producir:
- Insulina (para tratar la diabetes);
- Hormona del crecimiento (para tratar el enanismo);
- Interferones (para tratar enfermedades víricas);
- Anticuerpos (que se llaman monoclonales por ser producidos por un único clon de bacterias transgénicas);
- Antígenos y toxoides (análogos no dañinos de de toxinas microbianas) para vacunas; etc.
Biotecnología microbiana agrícola
- Plantas modificadas genéticamente. Se utiliza un plásmido bacteriano recombinante, clonado con genes de interés procedentes de otras especies vegetales. Las plantas transgénicas pueden ser:
- Resistentes a heladas;
- Con frutos de maduración lenta;
- Productoras de vitaminas; etc.
- Obtención de biofertilizantes
- Cianobacterias fijadoras de nitrógeno se utilizan como biofertilizantes en arrozales.
- Obtención de insecticidas biológicos
- La bacteria Bacillus thuringiensis produce una proteína no tóxica para los vertebrados, que actúa como un insecticida natural.
Biotecnología microbiana aplicada a la obtención de materias primas
- Obtención de plásticos biodegradables
- Biolixiviación. Se utilizan microorganismos para la extracción de metales de menas pobres:
- Obtención de cobre.
- Obtención de recursos energéticos
- Producción de biodiésel, etanol y gas metano a partir de microalgas (p.e. diatomeas) cultivadas en grandes reactores.
Biotecnología microbiana medioambiental
- Biorremediación. Se aprovecha la gran diversidad metabólica de los microorganismos para la eliminación de contaminantes, principalmente por biodegradación (la bacteria lo consume para obtener de él energía, carbono...):
- Utilización de bacterias quimioheterótrofas para eliminar vertidos de petróleo en el mar.
- Eliminación de residuos:
- Tratamiento microbiano de las basuras orgánicas, que son transformadas en compost (abono compuesto similar al humus que se produce en el suelo de forma natural).
- Depuración de aguas residuales por arqueas metanógenas.
El Estudio y la Manipulación del ADN
Técnicas de estudio del ADN
Hibridación de ácidos nucleicos
Si queremos comprarar el grado de similitud entre 2 moléculas de ADN, se hace como sigue: se desnaturalizan por calor, se fragmentan, se mezclan y se enfría la mezcla. Cuanto más parecidas sean (a mayor grado de homología) más cantidad de fragmentos de ADN bicatenario de origen diferente se formarán durante la renaturalización (mayor porcentaje de hibridación). Las cadenas híbridas se detectan porque una de las dos moléculas originales se había marcado con isótopos radiactivos.
Esta técnica se puede utilizar para comparar el ADN de dos posibles familiares (p.e. en pruebas de paternidad o de hermanos separados de niños). O para comparar el ADN de un sospechoso con el encontrado en el lugar de un crimen (medicina forense). O para comparar el ADN de especies vivas o fósiles y poder así establecer su grado de parentesco (p.e. neandertales con denisovanos y con humanos modernos). O, si se conoce la secuencia del gen causante de una enfermedad hereditaria, para identificarlo en el genotipo de una persona, y poder así predecir el posible desarrollo futuro de tal enfermedad, o conocer el grado de predisposición a padecerla: esta técnica se denomina examen genético y forma parte de la medicina preventiva.
Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
Para obtener numerosas copias de un fragmento de ADN de forma fácil, rápida y económica, se procede como sigue: se desnaturaliza por calor la molécula de ADN; se añade una molécula muy corta de ADN (el cebador) complementaria de la región del extremo 5' de cada una de las 2 hebras separadas; se añade ADN-polimerasa, ATP y desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTP).
Si el proceso se repite "n" veces, obtendremos 2n copias de la molécula original.
Esta técnica se puede utilizar para amplificar el número de copias de un ADN valioso y escaso (p.e. ADN de fósiles de neandertales o del lugar de un crimen).
Secuenciación de ácidos nucleicos
Para conocer la secuencia exacta de nucleótidos del ADN de un ser vivo. El Proyecto Genoma Humano consiguió secuenciar el genoma de nuestra especie en el año 2000.
Esta técnica se puede utilizar para comparar el ADN de especies de seres vivos con mucho mayor grado de exactitud que por hibridación y así poder dilucidar bien sus relaciones filogenéticas (como cuando se descubrió que la vida estaba organizada en 3 dominios: arqueas, bacterias y eucariontes). O para identificar a los genes causantes de enfermedades hereditarias (diabetes tipo I, propensión al cácer, al infarto...). O en estudios históricos para poder identificar al microorganismo causante de una gran mortandad del pasado.
Técnicas de Manipulación del ADN
Consiste en la manipulación deliberada del genoma de un ser vivo para modificar su ADN y conferirle características fenotípicas nuevas.
Mutagénesis dirigida
Para provocar cambios en la secuencia de nucleótidos de un gen.
Esta técnica permite obtener proteínas modificadas en algún aminoácido concreto de su secuencia. También permite anular genes que no queremos que se expresen.
Tecnología del ADN recombinante
Se denomina también "Ingeniería Genética".
Permite crear nuevas moléculas de ADN a partir de fragmentos de ADN de orígenes diferentes (incluso de seres vivos de especies diferentes). Cuando estas moléculas de ADN recombinante se introducen en un ser vivo, este pasa a ser un organismo transgénico, y tendrá una característica fenotípica nueva, que de modo natural jamás habría obtenido.
a) Herramientas básicas
- Las endonucleasas de restricción o enzimas de restricción. Son enzimas que cortan ADN. Cada enzima reconoce una secuencia blanco (p.e. de 6 pares de nucleótidos) y corta el ADN en o cerca de esas secuencias. Muchas hacen cortes escalonados que producen extremos sobresalientes de ADN de cadena sencilla que luego se vuelven a unir espontáneamente (se llaman extremos cohesivos).
- Las ligasas. Son enzimas que unen ADN. Si las 2 moléculas de ADN que queremos combinar las cortamos con la misma enzima de restricción, van a tener extremos cohesivos complementarios, y se van a unir espontáneamente. Pero aún va a quedar un hueco entre nucleótidos adyacentes en cada una de las 2 hebras. Estos huecos los sellan las ligasas.
- Los vectores de clonación. Para llevar un gen de una célula a otra, primero hay que extraerlo de su ADN con una enzima de restricción, y luego hay que combinarlo con otra molécula de ADN que haga de vehículo que lo lleve hasta la célula receptora y consiga que se exprese. Estos vehiculos son los vectores de clonación. Si la célula receptora es eucariótica, el vector ha de poder integrarse en un cromosoma, o de otro modo sus genes, incluido el gen pasajero, no se van a expresar. Esto conlleva el riesgo de que al hacerlo "rompa" un gen necesario para el funcionamiento normal de la célula, transformándola, por ejemplo, en tumoral. Las 2 clases de vectores más típicas son:
- Los plásmidos. Cuando la célula receptora es una bacteria o una arquea, el vector ideal es un plásmido, porque siempre va a expresar los genes que lleve, sin que haga falta que se integre en el cromosoma bacteriano. Cuando la célula receptora es de una planta, el vector ideal es el plásmido Ti de la bacteria Agrobacterium tumefaciens, porque tiene la tendencia natural a integrarse en los cromosomas de las células de las plantas; se utiliza una versión atenuada de Ti, a la que se le han anulado los genes de la virulencia, ya que de otro modo provocaría tumores en la planta receptora.
- Los virus atenuados. Cuando la célula receptora es de un animal, el vector ideal es un virus, porque tienen la tendencia natural a integrarse en los cromosomas de las células; se utiliza una versión atenuada del virus, a la que se le han anulado los genes de la virulencia, ya que de otro modo desarrollaría un ciclo lítico y mataría a las células receptoras.
- [Hay algunas alternativas al uso de vectores; como la microinyección del gen de interés en la célula receptora, las pistolas de genes (genes adsorbidos a microesférulas de oro) o los liposomas (micelas que envuelven al gen de interés).]
b) Procedimiento básico: clonación de un gen de una bacteria en otra
- Se extrae el gen de interés con una enzima de restricción; de ser posible, una que deje extremos escalonados.
- Se escoge un plásmido y se corta con la misma enzima de restricción que el fragmento de ADN que lleva el gen de interés, de modo que sus extremos sean cohesivos y se nos forme el ADN recombinante (vector + gen pasajero) de forma espontánea cuando los juntemos en la misma disolución.
- Se sellan los huecos con ayuda de una ligasa.
- El vector de clonación ha sido previamente modificado de 2 formas:
- de tenerlos, se le han anulado los genes de la virulencia por mutación dirigida;
- de no tenerlo, se le ha introducido un gen marcador, para poder saber al final del proceso qué bacterias han recibido el ADN recombinante; habitualmente se utiliza el gen que codifica para la resistencia al antibiótico ampicilina.
- Se introduce el ADN recombinante en las bacterias receptoras por transformación bacteriana, lo que se facilita permeabilizando las envolturas de la misma con un calentamiento brusco y breve.
- Se cultivan las bacterias en ampicilina: las no transformadas van a morir, las transgénicas se van a multiplicar.
c) Variaciones
Cuando se clonan genes eucarióticos en bacterias, a los genes hay que eliminarles los intrones, ya que las bacterias no los reconocen y llegan intactos a los ribosomas, donde van a ser traducidos junto con los exones. Esto se consigue no utilizando directamente el gen eucariótico de interés, sino el ARNm madurado que corresponde a ese gen, el cual ya no contiene intrones. Luego, ese ARNm se copia a ADN bicatenario con ayuda de la transcriptasa inversa de los retrovirus.
d) Aplicaciones
- Producción en bacterias de sustancias de interés sanitario. Las bacterias transgénicas pueden producir:
- Insulina (para tratar la diabetes);
- Hormona del crecimiento (para tratar el enanismo);
- Interferones (para tratar enfermedades víricas);
- Anticuerpos (que se llaman monoclonales por ser producidos por un único clon de bacterias transgénicas); estos anticuerpos pueden reconocer específicamente, por ejemplo, a células tumorales, y utilizarse así para marcarlas y facilitar la eliminación del tumor por los leucocitos;
- Antígenos y toxoides (análogos no dañinos de de toxinas microbianas) para vacunas;
- Proteínas que diluyen las mucosidades en los enfermos de fibrosis quística; etc.
- Plantas modificadas genéticamente. Las plantas transgénicas pueden ser:
- Resistentes a heladas;
- Resistentes a sequías;
- Resistentes a plagas;
- Crecer más rápido;
- Producir frutos más grandes;
- Producir frutos de maduración más lenta;
- Producir vitaminas o aminoácidos; etc.
- Animales modificados genéticamente. Los animales transgénicos pueden ser:
- Más grandes;
- Crecer más rápido; etc.
- Terapia génica. Se introduce en un enfermo el gen cuya ausencia es causa de una enfermedad, tal como la distrofia muscular o la deficiencia ADA (leucocitos no funcionales: niños-burbuja). Se pueden inyectar en el paciente células ya transformadas por el vector fuera de su cuerpo, o bien se puede inyectar el vector recombinante directamente en el cuerpo del paciente. Se enfrenta a los siguientes problemas:
- Se hace necesario modificar muchas células del paciente, para que se produzca la proteína que falta en cantidad suficiente;
- Se ha de utilizar un vector seguro, no virulento, que al integrarse en un cromosoma celular no active un protooncogen y sea causa de un cáncer (que fue lo que sucedió la única vez que se ha intentado esta terapia, en niños con deficiencia ADA).