Ingeniería genética

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La ingeniería genética (o ingeniería genética ) es un conjunto de técnicas, métodos y tecnologías para obtener ARN y ADN recombinantes , aislar genes de un organismo (células), manipular genes , introducirlos en otros organismos y cultivar organismos artificiales después de eliminar genes seleccionados del ADN. [1 ] La ingeniería genética no es una ciencia en el sentido más amplio, sino que es una herramienta de la biotecnología , utilizando métodos de las ciencias biológicas como la biología molecular y celular , la genética ,microbiología , virología .

Importancia económica

La ingeniería genética sirve para obtener las cualidades deseadas de un organismo modificado o modificado genéticamente . A diferencia de la reproducción tradicional , durante la cual el genotipo solo se cambia indirectamente, la ingeniería genética le permite interferir directamente con el aparato genético , utilizando la técnica de la clonación molecular . Ejemplos de aplicaciones de la ingeniería genética son la producción de nuevas variedades de cultivos modificados genéticamente, la producción de insulina humana mediante el uso de bacterias modificadas genéticamente, la producción de eritropoyetina en cultivos celulares o nuevas razas de ratones experimentales para la investigación científica.

Se están realizando los primeros experimentos sobre el uso de bacterias con ADN reorganizado para tratar pacientes [2] .

La base de la industria microbiológica y biosintética es la célula bacteriana. Las células necesarias para la producción industrial se seleccionan de acuerdo con ciertas características, la más importante de las cuales es la capacidad de producir, sintetizar, en las cantidades máximas posibles, un determinado compuesto: un aminoácido o un antibiótico, una hormona esteroide o un ácido orgánico. . A veces es necesario tener un microorganismo que pueda, por ejemplo, usar aceite o aguas residuales como "alimento" y procesarlos en biomasa o incluso en proteínas muy adecuadas para aditivos para piensos. A veces se necesitan organismos que puedan crecer a temperaturas elevadas o en presencia de sustancias indiscutiblemente letales para otro tipo de microorganismos.

La tarea de obtener tales cepas industriales es muy importante, para su modificación y selección, se han desarrollado numerosos métodos de influencia activa en la célula, desde el tratamiento con venenos potentes hasta la irradiación radiactiva. El propósito de estas técnicas es el mismo: lograr un cambio en el aparato genético hereditario de la célula. Su resultado es la producción de numerosos microbios mutantes, de entre cientos y miles de los cuales los científicos luego intentan seleccionar los más adecuados para un propósito particular. La creación de técnicas para la mutagénesis química o por radiación fue un logro sobresaliente en biología y se usa ampliamente en la biotecnología moderna .

Pero sus capacidades están limitadas por la naturaleza de los propios microorganismos. No son capaces de sintetizar una serie de sustancias valiosas que se acumulan en las plantas, principalmente medicinales y de aceite esencial. No pueden sintetizar sustancias que son muy importantes para la vida de los animales y los humanos, una serie de enzimas, hormonas peptídicas, proteínas inmunitarias, interferones y muchos más compuestos de disposición simple que se sintetizan en animales y humanos. Por supuesto, las posibilidades de los microorganismos están lejos de agotarse. De la abundancia de microorganismos, sólo una pequeña fracción ha sido utilizada por la ciencia, y especialmente por la industria. A los efectos de la selección de microorganismos, son de gran interés, por ejemplo, las bacterias anaerobias que pueden vivir en ausencia de oxígeno, las fotótrofas que utilizan la energía de la luz como las plantas, las quimioautótrofas , las bacterias termófilas que pueden vivir a una temperatura, como se descubrió recientemente. , unos 110 °C, etc.

Y, sin embargo, las limitaciones del "material natural" son obvias. Intentaron y están tratando de eludir las restricciones con la ayuda de cultivos celulares y tejidos de plantas y animales. Esta es una forma muy importante y prometedora, que también se implementa en biotecnología. En las últimas décadas, los científicos han desarrollado métodos mediante los cuales las células individuales de un tejido vegetal o animal pueden crecer y multiplicarse por separado del cuerpo, como las células bacterianas. Este fue un logro importante: los cultivos celulares resultantes se utilizan para experimentos y para la producción industrial de ciertas sustancias que no se pueden obtener mediante cultivos bacterianos.

Otra área de investigación es la eliminación del ADN de genes que son innecesarios para la codificación de proteínas y el funcionamiento de los organismos y la creación de organismos artificiales basados ​​en dicho ADN con un conjunto de genes "truncado". Esto permite aumentar considerablemente la resistencia de los organismos modificados a los virus [1] .

Historia y métodos de desarrollo

En la segunda mitad del siglo XX, se realizaron varios descubrimientos e inventos importantes que subyacen a la ingeniería genética . Muchos años de intentos de "leer" la información biológica que está "grabada" en los genes se han completado con éxito. Este trabajo fue iniciado por el científico inglés Frederick Sanger y el científico estadounidense Walter Gilbert ( Premio Nobel de Química de 1980 ). Como saben, los genes contienen información-instrucciones para la síntesis de moléculas de ARN y proteínas en el cuerpo, incluidas las enzimas. Para obligar a una célula a sintetizar sustancias nuevas e inusuales para ella, es necesario que se sinteticen en ella los conjuntos correspondientes de enzimas. Y para esto es necesario cambiar intencionalmente los genes en él o introducir genes nuevos, previamente ausentes. Los cambios en los genes de las células vivas son mutaciones. Ocurren bajo la influencia de, por ejemplo, mutágenos: venenos químicos o radiación. Pero tales cambios no pueden ser controlados o dirigidos. Por lo tanto, los científicos han concentrado sus esfuerzos en tratar de desarrollar métodos para introducir en la célula nuevos genes muy específicos que una persona necesita.

Todos los métodos de ingeniería genética se utilizan para llevar a cabo una de las siguientes etapas para resolver un problema de ingeniería genética:

  1. Obtención de un gen aislado.
  2. Introducción de un gen en un vector para su transferencia a un organismo.
  3. Transferencia de un vector con un gen a un organismo modificado.
  4. Transformación de las células del cuerpo.
  5. Selección de organismos modificados genéticamente ( OGM ) y eliminación de aquellos que no hayan sido modificados con éxito.

El proceso de síntesis de genes está actualmente muy bien desarrollado e incluso en gran medida automatizado. Hay dispositivos especiales equipados con computadoras, en cuya memoria se almacenan programas para la síntesis de varias secuencias de nucleótidos. Tal aparato sintetiza segmentos de ADN de hasta 100-120 bases nitrogenadas de longitud (oligonucleótidos). Se ha generalizado una técnica que permite el uso de la reacción en cadena de la polimerasa para la síntesis de ADN, incluido el ADN mutante . En él se utiliza una enzima termoestable, la ADN polimerasa, para la síntesis de moldes de ADN, que se utiliza como semilla para piezas de ácido nucleico sintetizadas artificialmente: oligonucleótidos . La enzima transcriptasa inversa permite sintetizar ADN utilizando tales cebadores (cebadores) en una matriz de ARN aislado de células. El ADN sintetizado de esta manera se denomina complementario (ARN) o ADNc. También se puede obtener un gen "químicamente puro" aislado de una biblioteca de fagos. Este es el nombre de una preparación de bacteriófago , en cuyo genoma se insertan fragmentos aleatorios del genoma o ADNc, reproducidos por el fago junto con todo su ADN.

Para insertar un gen en un vector , se utilizan enzimas  : enzimas de restricción y ligasas , que también son una herramienta útil en ingeniería genética. Con la ayuda de enzimas de restricción, el gen y el vector se pueden cortar en pedazos. Con la ayuda de las ligasas, estas piezas pueden "pegarse", conectarse en una combinación diferente, construir un nuevo gen o incluirlo en un vector. Por el descubrimiento de las restrictasas , Werner Arber , Daniel Nathans y Hamilton Smith también recibieron el Premio Nobel (1978).

La técnica de introducir genes en bacterias se desarrolló después de que Frederick Griffith descubriera el fenómeno de la transformación bacteriana . Este fenómeno se basa en un proceso sexual primitivo, que en las bacterias se acompaña del intercambio de pequeños fragmentos de ADN no cromosómico, los plásmidos . Las tecnologías de plásmidos formaron la base para la introducción de genes artificiales en células bacterianas.

Se asociaron dificultades significativas con la introducción de un gen listo para usar en el aparato hereditario de células vegetales y animales. Sin embargo, en la naturaleza, hay casos en los que el ADN extraño (de un virus o un bacteriófago) se incluye en el aparato genético de una célula y, con la ayuda de sus mecanismos metabólicos, comienza a sintetizar “su propia” proteína. Los científicos estudiaron las características de la introducción de ADN extraño y lo utilizaron como principio para introducir material genético en una célula. Este proceso se llama transfección .

Si se modifican organismos unicelulares o cultivos de células multicelulares, en esta etapa comienza la clonación , es decir, la selección de aquellos organismos y sus descendientes (clones) que han sufrido modificación. Cuando la tarea es obtener organismos multicelulares, las células con un genotipo alterado se utilizan para la propagación vegetativa de las plantas o se inyectan en los blastocistos de una madre sustituta cuando se trata de animales. Como resultado, nacen cachorros con un genotipo cambiado o sin cambios, entre los cuales solo se seleccionan y cruzan entre sí aquellos que muestran los cambios esperados.

Aplicación en la investigación científica

Nocaut de genes . Para estudiar la función de un gen en particular, se puede  usar la eliminación de genes . Este es el nombre que se le da a la técnica de borrar uno o más genes, que permite estudiar las consecuencias de tal mutación. Para el knockout, se sintetiza el mismo gen o su fragmento, modificado para que el producto del gen pierda su función. Principales métodos de aplicación: dedos de zinc , morfolino y TALEN [3] . Para obtener ratones knockout, la construcción modificada genéticamente resultante se introduce en células madre embrionarias , donde la construcción se somete a una recombinación somática y reemplaza el gen normal, y las células alteradas se implantan en el blastocisto de una madre sustituta. En la mosca de la fruta, Drosophila inicia mutaciones en una gran población, que luego se busca descendencia con la mutación deseada. Las plantas y los microorganismos se eliminan de manera similar.

Expresión Artificial . Una adición lógica al knockout es la expresión artificial, es decir, la adición de un gen al cuerpo que antes no tenía. Este método de ingeniería genética también se puede utilizar para estudiar la función de los genes. En esencia, el proceso de introducción de genes adicionales es el mismo que en un golpe de gracia, pero los genes existentes no se reemplazan ni se dañan.

Visualización de productos génicos . Se utiliza cuando la tarea es estudiar la localización de un producto génico. Una forma de marcar es reemplazar el gen normal con una fusión con un elemento informador, por ejemplo, con el gen de la proteína verde fluorescente ( GFP ). Esta proteína, que emite fluorescencia bajo luz azul, se utiliza para visualizar el producto de una modificación genética. Aunque esta técnica es conveniente y útil, sus efectos secundarios pueden ser la pérdida parcial o total de la función de la proteína en estudio. Un método más sofisticado, aunque no tan conveniente, es la adición de oligopéptidos más pequeños a la proteína en estudio, que pueden detectarse mediante anticuerpos específicos.

Investigación sobre el mecanismo de expresión . En tales experimentos, la tarea es estudiar las condiciones de la expresión génica. Las características de expresión dependen principalmente de una pequeña sección de ADN ubicada frente a la región codificante, que se denomina promotor y sirve para unir factores de transcripción . Este sitio se introduce en el cuerpo, luego de ser reemplazado por un gen informador, por ejemplo, GFP o una enzima que cataliza una reacción fácilmente detectable. Además del hecho de que el funcionamiento del promotor en varios tejidos en un momento u otro se vuelve claramente visible, tales experimentos permiten estudiar la estructura del promotor al quitarle o agregarle fragmentos de ADN, así como mejorar artificialmente sus funciones

Ingeniería genética humana

Cuando se aplica a los humanos, la ingeniería genética podría usarse para tratar enfermedades hereditarias. Sin embargo, técnicamente, existe una diferencia significativa entre tratar al propio paciente y cambiar el genoma de sus descendientes.

La tarea de cambiar el genoma de un adulto es algo más difícil que criar nuevas razas de animales modificadas genéticamente, ya que en este caso es necesario cambiar el genoma de numerosas células de un organismo ya formado, y no solo de un óvulo embrionario. Para ello, se propone utilizar partículas virales como vector. Las partículas de virus pueden penetrar en un porcentaje significativo de células adultas, incrustando en ellas su información hereditaria; posible reproducción controlada de partículas virales en el cuerpo. Al mismo tiempo, para reducir los efectos secundarios, los científicos están tratando de evitar la introducción de ADN modificado genéticamente en las células de los órganos genitales, evitando así la exposición a los futuros descendientes del paciente. También vale la pena señalar las importantes críticas a esta tecnología en los medios: el desarrollo de virus genéticamente modificados es percibido por muchos como una amenaza para toda la humanidad.

Con la ayuda de la terapia génica en el futuro, es posible cambiar el genoma humano. Actualmente, se están desarrollando y probando en primates métodos efectivos para modificar el genoma humano. Durante mucho tiempo, la ingeniería genética de los monos enfrentó serias dificultades, pero en 2009 los experimentos se vieron coronados por el éxito: apareció una publicación en la revista Nature sobre el uso exitoso de vectores virales genéticamente modificados para curar a un mono macho adulto del daltonismo [ 4] . En el mismo año, el primer primate genéticamente modificado (crecido a partir de un huevo modificado) dio descendencia: el tití común ( Callithrix jacchus ) [5] .

Aunque a pequeña escala, la ingeniería genética ya se está utilizando para dar a las mujeres con algunos tipos de infertilidad la oportunidad de quedar embarazadas [6] . Para hacer esto, use los óvulos de una mujer sana. Como resultado, el niño hereda el genotipo de un padre y dos madres.

Sin embargo, la posibilidad de introducir cambios más significativos en el genoma humano se enfrenta a una serie de graves problemas éticos [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] . En 2016, un grupo de científicos de los Estados Unidos recibió la aprobación para realizar ensayos clínicos de un método de tratamiento del cáncer utilizando las propias células inmunitarias del paciente sometidas a modificación genética mediante la tecnología CRISPR / Cas9 [14] .

A finales de 2018 nacieron en China dos niños cuyo genoma fue modificado artificialmente (se apagó el gen CCR5 ) en etapa embrionaria mediante el método CRISPR/Cas9, como parte de la investigación que se lleva a cabo desde 2016 para combatir el VIH [15] [16] [17] . Uno de los padres (padre) estaba infectado por el VIH y los niños, según el comunicado, nacieron sanos [18] . Dado que el experimento no estaba autorizado (antes de eso, todos los experimentos de este tipo en el embrión humano solo se permitían en las primeras etapas de desarrollo con la posterior destrucción del material experimental, es decir, sin la implantación del embrión en el útero y el nacimiento de niños), el científico responsable del mismo no aportó pruebas de sus declaraciones, que fueron realizadas en la conferencia internacional sobre edición del genoma. A fines de enero de 2019, las autoridades chinas confirmaron oficialmente los hechos de este experimento [19] . Mientras tanto, al científico se le prohibió participar en actividades científicas y fue arrestado [20] [21] .

Ingeniería celular

La ingeniería celular se basa en el cultivo de células y tejidos vegetales y animales capaces de producir sustancias necesarias para el ser humano fuera del cuerpo. Este método se utiliza para la propagación clonal (asexual) de formas vegetales valiosas; para obtener células híbridas que combinen las propiedades de, por ejemplo, linfocitos sanguíneos y células tumorales.

Ingeniería genética en Rusia

Se observa que después de la introducción del registro estatal de OGM [22] , la actividad de algunas organizaciones públicas y diputados individuales de la Duma Estatal, que intentan evitar la introducción de biotecnologías innovadoras en la agricultura rusa, ha aumentado notablemente. Más de 350 científicos rusos firmaron una carta abierta de la Sociedad de Científicos en Apoyo al Desarrollo de la Ingeniería Genética en la Federación Rusa. La carta abierta señala que la prohibición de los transgénicos en Rusia no solo dañará la sana competencia en el mercado agrícola, sino que provocará un retraso significativo en el campo de las tecnologías de producción de alimentos, una mayor dependencia de las importaciones de alimentos y socavará el prestigio de Rusia como estado en el que se ha anunciado oficialmente el curso para el desarrollo innovador [23][ significado del hecho? ] .

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 Alexander Panchin Beating God // Popular Mechanics . - 2017. - Nº 3. - S. 32-35. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2017/173-issue/ Archivado el 12 de marzo de 2017 en Wayback Machine .
  2. ↑ Michael Waldholtz Transformers Archivado el 7 de julio de 2017 en Wayback Machine // In the World of Science . - 2017. - Nº 5, 6. - S. 126-135.
  3. ↑ Edición del genoma in vivo usando un sistema TALEN de alta eficiencia  . naturaleza _ Recuperado: 10 de enero de 2017.
  4. ↑ Elementos - noticias científicas: monos curados del daltonismo con terapia génica (18 de septiembre de 2009). Consultado el 10 de enero de 2017. Archivado desde el original el 25 de abril de 2013.
  5. ↑ Los monos transgénicos dieron la primera descendencia (enlace inaccesible) . membrana (29 de mayo de 2009). Consultado el 10 de enero de 2017. Archivado desde el original el 9 de junio de 2009. 
  6. ↑ Nacen bebés alterados genéticamente . bbc _ Consultado el 26 de abril de 2008. Archivado desde el original el 22 de agosto de 2011.
  7. ↑ B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, 2008. Biología molecular de la célula, 5.ª ed., Garland Science, EE. UU., págs. 1302-1303
  8. ^ Kimmelman J. (2009) "Ética de la investigación clínica de transferencia de genes del cáncer", Methods in Molecular Biology 542, 423-445
  9. ^ Wagner AM, Schoeberlein A, Surbek D. (2009) "Terapia génica fetal: oportunidades y riesgos", Advanced Drug Delivery Reviews 61, 813-821
  10. ↑ Gatzidou E, Gatzidou G, Theocharis SE. (2009) "Récords mundiales transformados genéticamente: ¿una realidad o en la esfera de la fantasía?", Medical Science Monitor 15, RA41-47
  11. ↑ Lowenstein PR (2008) "Ensayos clínicos en terapia génica: ética del consentimiento informado y el futuro de la medicina experimental", Opinión actual en terapia molecular 10, 428-430
  12. ↑ Jin X, Yang YD, Li YM. (2008) "Terapia génica: regulaciones, ética y sus aspectos prácticos en la enfermedad hepática", World Journal of Gastroenterology 14, 2303-2307
  13. ↑ Harridge SD, Velloso CP. (2008) "Dopaje genético", Ensayos de bioquímica 44, 125-138
  14. ↑ La primera prueba humana propuesta de CRISPR pasa la revisión de seguridad inicial  ( 21 de junio de 2016). Consultado el 2 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2016.
  15. ↑ " Éticamente injustificado": niños "diseñadores" nacieron en China A. Salkova, P. Kotlyar.
  16. ↑ Mutación controlada : cómo se trata el VIH en la actualidad I. Shestakov.
  17. ↑ Primeros bebés editados genéticamente reclamados en China Archivado el 1 de febrero de 2019 en Wayback Machine / 26/11/2018 "Medical Xpress" ("Science X Network"/" The Associated Press "). Marilyn Marchione.
  18. ↑ En medio del alboroto, un científico chino defiende la creación de  bebés editados genéticamente . ESTADO (28 de noviembre de 2018). Consultado el 1 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 31 de enero de 2019.
  19. ↑ Las autoridades chinas confirman el nacimiento de niños genéticamente modificados Copia de archivo del 1 de febrero de 2019 en la Wayback Machine / 21/01/2019 " Mecánica Popular ". S. Sysoev.
  20. ↑ ¿Científico brillante o aventurero peligroso? Lo que sabemos sobre el profesor He Jiankui N. Voronin.
  21. ↑ Primeros bebés genéticamente modificados nacidos en China. Son inmunes al VIH _ _ _
  22. ↑ Decreto del Gobierno de la Federación Rusa del 23 de septiembre de 2013 No. 839 "Sobre el Registro Estatal de Organismos Genéticamente Modificados"
  23. ↑ col. edición Una carta abierta de la Sociedad de Trabajadores Científicos en Apoyo del Desarrollo de la Ingeniería Genética en la Federación Rusa  // Comisión de la Academia Rusa de Ciencias para Combatir la Pseudociencia y la Falsificación de la Investigación Científica en Defensa de la Ciencia. - 2015. - Nº 15 . - ISBN 978-5-02-039148-2 .

Literatura

Enlaces

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