El Blog de Marina Moral: BIOGENÉTICA

Introducción

La genética se ha desarrollado enormemente en los últimas décadas, desarrollo que llevó a secuenciar la información del genoma humano como asimismo de otros animales.

En la actualidad tiene una amplia relación con la teoría evolutiva. En efecto, la misma establece que las variaciones dentro de las especies se deben a mutaciones que se efectúan de forma aleatoria.

La genética podrá encontrar algunas soluciones en lo que respecta a muchos desafíos que hoy en día existen. Algunos de estas soluciones ya han visto la luz. Un ejemplo de esta circunstancia puede ofrecerlo la modificación genética que se ha realizado a distintos alimentos, modificación que los ha hecho más resistentes a distintas plagas, haciendo que los rindes sean mucho mayores. Este tipo de utilizaciones seguramente seguirán un largo derrotero, con cada vez más casos de organismos modificados, circunstancia que sin lugar a dudas despierta un amplio debate ético.

En este trabajo desollaremos la genética, la epigenética, ingeniería genética, sus pasos evolutivos y aplicaciones en todos los campos ya mencionados. Hablaremos tanto lo sencillo, como los proyectos que se están llevando a cabo hoy en día.

1. Hechos históricos más relevantes para el estudio de la genética.

A lo largo de la historia de la humanidad han sucedido grandes cambios o revoluciones científicas que han marcado un antes y un después en el conocimiento de algún campo de la ciencia. El descubrimiento de la estructura molecular del ADN, supuso el inicio de una revolución en el ámbito de la genética. Desde el Neolítico, el ser humano ha manipulado a animales y plantas por medio de la domesticación y el cultivo respectivamente. Ha modificado la herencia al determinar los cruzamientos con el fin de seleccionar las características que le interesaban.

Aportaciones de Mendel:

La genética como ciencia comenzó hace unos ciento cincuenta años en el jardín de un monasterio en el que su abad, Gregor Mendel, cultivó plantas con meticulosidad y halló unas reglas que explican cómo se transmite la herencia entre progenitores y descendientes. Llegó a predecir cómo serían las características de las plantas de una generación, conocidas las de sus antecesoras.

Además, analizó matemáticamente los resultados, obteniendo ciertas conclusiones:

La herencia se transmite por unos factores hereditarios. Dichos factores son de doble procedencia, materna y paterna, y se unen en el nuevo individuo sin mezclarse.

La herencia sigue normas estadísticas sencillas.

Publicó su modelo en 1865 y los científicos de la época no le dieron la importancia que tenía. A comienzos del siglo XX se redescubrieron sus trabajos y se definieron los conceptos básicos de la genética formal.

El descubrimiento del ADN:

Si bien se conocía cómo se transmiten los genes, hasta los años cuarenta del siglo pasado no se supo de qué sustancia estaban <<hechos>>. Se produjo una oleada de descubrimientos sobre la herencia. Se precisó que, dentro de los cromosomas, la información genética se almacena en la molécula de ADN.

El primer indicio de la relación entre las moléculas y la herencia lo descubrió F.Griffith en un experimento en 1928 que ha pasado a la historia.

Experimento de Griffith:

Griffith observó que la bacteria productora de la neumonía humana se presenta en dos formas diferentes:

→Cepa S, formada por células rodeadas por una cápsula, constituye colonias lisas en cultivos y provoca la enfermedad. Al inyectar en ratones de laboratorio se produce la muerte por neumonía.

→Cepa R, formada por células sin cápsula, constituye colonias rugosas y no provoca la enfermedad. Al inyectar en ratones de laboratorio no se produce la muerte.

Se quería observar a qué se debía la capacidad que posee un agente patógeno de producir una enfermedad, por lo que el investigador realizó el siguiente experimento:

1º Mató por el calor a las bacterias de tipo S de un cultivo.

2º Inoculó una mezcla de bacterias S muertas, obtenidas antes, y bacterias R vivas.

Resultado: El ratón que recibió la mezcla murió de la enfermedad. En su sangre se encontraron bacterias S vivas.

Estructura del ADN

En 1953, los científicos James Watson y Francis Crick marcaron su descubrimiento dentro de la historia de la genética moderna (genética molecular) en sus inicios.

Propusieron un modelo para la estructura, la doble hélice, a partir de la imagen de difracción de rayos X obtenida por Rosalind Franklin.

A través de este estudio empezaron a surgir diversos estudios bioquímicos (moleculares) ya que gracias al descubrimiento de la doble hélice de la cadena de ADN (tridimensional) se logró concluir y saber más sobre la composición genética de los organismos. Sin embargo, no solamente para el área de la ciencia de la genética, sino también, para otras ciencias como la química, la inmunología y otras ciencias afines.

Gracias a este descubrimiento, en el futuro sería posible manipular, añadir o eliminar genes: el ser humano podría modificar la información contenida en cualquier ser vivo y aquello que determina o influye en sus características.

2. La epigenética

La epigenética (más o menos literalmente "la ciencia de lo que está sobre la genética") es el conjunto de cambios heredables en la expresión génica que no van acompañados de alteraciones en la secuencia del ADN. Hace referencia al estudio de los factores que, sin corresponderse a elementos de la genética clásica, básicamente los genes, juegan un papel muy importante en la genética moderna interaccionando con estos primeros.

Esto explica los efectos del ambiente (edad, alimentación, drogas, tabaco, etc.) sobre la expresión de nuestros genes, ya que se modifica el envoltorio bioquímico del ADN. Justifica también por qué gemelos idénticos, con el mismo material genético, pueden desarrollar comportamientos y enfermedades totalmente diferentes.

Existen muchos procesos celulares en los que interviene la epigenética: el desarrollo embrionario, la diferenciación de los tejidos, etc. Mientras que la genética no se modifica con facilidad, si podemos influir sobre la epigenética con nuestro modo de vida y nuestros actos, Por eso, puede llegar a convertirse en una herramienta muy útil para el diagnóstico, seguimiento, tratamiento y prevención de enfermedades como el cáncer, las enfermedades autoinmunes y alzhéimer, entre otras.

La epigenética reinterpreta conceptos conocidos y desvela nuevos mecanismos mediante los cuales la información contenida en el ADN de cada individuo es traducida. Concepto a concepto, se está descifrando un nuevo lenguaje del genoma e introduciendo la noción de que nuestras propias experiencias pueden marcar nuestro material genético de una forma hasta ahora desconocida, y que estas marcas pueden ser transmitidas a generaciones futuras. Hasta hoy se han podido discernir mecanismos epigenéticos en una gran variedad de procesos fisiológicos y patológicos que incluyen por ejemplo varios tipos de cáncer, patologías cardiovasculares, neurológicas, reproductivas e inmunes.

Epigenética en abejas

Una abeja obrera y una abeja reina tienen un genoma idéntico, sin embargo, son muy diferentes. La reina es fértil, las obreras no. La diferencia es epigenética: 550 genes en el genoma de las abejas obreras están metilado (la metilación del ADN generalmente actúa para reprimir la transcripción génica), lo que afecta a la expresión (transcripción del ADN en ARN) de dichos genes.

En las abejas, la producción de abejas reinas depende casi exclusivamente de la alimentación de las larvas. Las larvas que se alimentan de jalea real (que contiene altas concentraciones de proteínas y secreciones de las glándulas salivales de las abejas obreras) durante todo su desarrollo, serán abejas reinas con ovarios funcionales. Por el contrario, las larvas que son alimentadas con jalea real por cortos períodos de tiempo se convertirán en obreras sin ovarios funcionales El consumo de jalea real causa altas tasas de síntesis de hormona juvenil en la larva. Esta hormona retrasa la metamorfosis, permitiendo que la larva se desarrolle durante más tiempo, adquiera un mayor tamaño, y desarrolle ovarios funcionales.

3. Conceptos básicos de genética. Del nucleótido a los genes.

El ADN es una larga secuencia formada por tres componentes: un fosfato, una proteína, y un tercer elemento llamado base. Hay cuatro bases: adenina, timina, guanina y citosina. Cada una de ellas solo se pueden juntar con su pareja, adenina con timina y guanina con citosina, de lo contrario no se podrían unir las dos partes de la hélice. Una vez juntadas las parejas, se enrolla para su propio beneficio y protección.

Cada trío de bases forman un aminoácido, y una serie de aminoácidos forman las proteínas.

El ADN tiene una importante característica, que es su capacidad para replicar, es decir, para hacer copias de él mismo. Esto se debe a que cada cadena de la doble hélice del ADN puede hacer una copia de ella misma, duplicando la cadenas de nucleótidos. De esta forma, cuando una célula se divide, cada nueva célula tiene una copia idéntica del ADN de la célula inicial o primitiva.

¿Qué es un gen?: Es la unidad de material genético que aporta la información necesaria para la síntesis de una proteína.

4. La manipulación del ADN: células embrionarias, aplicaciones de la ingeniería genética, fármacos transgénicos, terapias génicas.

Células embrionarias:

Se obtienen de un embrión humano de cuatro o cinco días de edad, es decir en la fase de su desarrollo llamada blastocisto.

Aplicaciones genéticas de la ingeniería genética.Los embriones generalmente se crean mediante la FIV (fertilización in vitro) en clínicas en las que varios óvulos son fertilizados en un tubo de ensayo, pero sólo uno se implanta en una mujer. Esta fecundación de los ovocitos por los espermatozoides se realiza fuera del cuerpo de la madre.La reproducción comienza cuando el esperma de un macho fecunda el óvulo de una mujer (ovocito) para formar una sola célula llamada cigoto. La célula cigoto inicia una serie de divisiones.

La FIV es el principal tratamiento para la esterilidad cuando otros métodos de reproducción asistida no han tenido éxito.

La INGENIERÍA GENÉTICA consiste en la manipulación del ADN para modificar el genoma de los seres vivos. Con la ingeniería genética podemos obtener clones de ADN, de células o de organismos completos. La clonación celular se utiliza para obtener copias de ADN.

Aplicaciones de la ingeniería genética:

ADN recombinante

La universalidad de los componentes moleculares de los organismos vivos permite trasladar información genética de unos a otros, mediante la tecnología del ADN recombinante, que son un conjunto de técnicas que han abierto nuevas vías para el conocimiento de los aspectos básicos de la biología y que tienen aplicación en numerosos campos.

Estas técnicas consisten en localizar genes, fragmentar el ADN, empalmar unos trozos con otros, duplicar los fragmentos e introducirlos en una célula con algún fin determinado: obtención de sustancias para producir medicamentos, mejora del rendimiento de un animal o planta, etc. Dado que el ADN es una “cinta de genes” que contiene la información genética de forma continua, para poder manipularlos, es necesario separar los fragmentos de ADN correspondientes.

ADN recombinante:

Es un fragmento de ADN construido de forma artificial con segmentos de ADN que pueden proceder de cualquier célula y de cualquier organismo. El ADN se puede cortar por lugares específicos y conocidos gracias a un conjunto de enzimas, enzimas de restricción, descubiertos en bacterias. Cortan la molécula en su interior, por lo que fragmentan el ADN en numerosos trozos, reconociendo siempre secuencias concretas de entre cuatro y ocho pares de bases (nucleótidos) la base estructural del ADN. A esos trozos se les denomina palíndromos.

B. PCR y huella genética.

PCR son las siglas de Polymerase Chain Reaction (Reacción en cadena de la polimerasa) Las ADN polimerasa son los enzimas que replican el ADN.

Técnica PCR: Multiplicación exponencial del fragmento deseado hasta alcanzar una cantidad suficiente para realizar las pruebas de laboratorio que se deseen.

Consiste en elevar la temperatura para que se separen las hebras del ADN (desnaturalización), se unen las hebras al bajar la temperatura y se repite el proceso, para obtener millones de copias de la cadena del ADN.

Su aplicación se da por ejemplo cuando a partir de unos pocos restos de ADN como los de un hueso fósil o de las pocas células que queden de la descamación de la piel, los restos de saliva, etc, a partir de esto obtener suficiente cantidad para realizar las pruebas pertinentes.

Procedimiento:

Desnaturalización 2. Alineamiento 3. Extensión o Elongación

Hoy, todo el proceso de la PCR está automatizado mediante un aparato llamado termociclador, que permite calentar y enfriar los tubos de reacción para controlar la temperatura necesaria para cada etapa de la reacción.

Aplicaciones:

Investigación

La PCR de punto final permite controlar y detectar los fragmentos de ADN de interés.Una aplicación de la PCR de extrema importancia es la clonación de secuencias de ADN.

Medicina

En medicina, la PCR se emplea fundamentalmente como herramienta de diagnosis

Pruebas genéticas para detectar mutaciones en el ADN que provoquen algún tipo de enfermedad.

Infecciones virales: determina el estadio de la enfermedad.

Revisiones médicas rutinarias, como en los servicios de donantes de sangre, para test de rutina.

Paleontología, antropología biológica, y ciencias forenses

Para obtener pruebas a partir de muestras mínimas dejadas por el autor de un crimen como saliva u otros restos de tejidos.

Agronomía y diversidad

Huella genética: La huella genética (también llamada prueba de ADN o análisis de ADN) es una técnica que se utiliza para distinguir entre los individuos de una misma especie utilizando muestras de su ADN.

La técnica se basa en que dos seres humanos tienen una gran parte de su secuencia de ADN en común y para distinguir a dos individuos se puede explotar la repetición de secuencias altamente variables. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) se utiliza para obtener suficiente ADN que permita detectar dónde está la diferencia.

Aplicaciones:

La huella genética se utiliza en la medicina forense para la identificación de los restos humanos o sospechosos, las pruebas de paternidad, la compatibilidad en la donación de órganos, etc.

C. Organismos genéticamente modificados

Un organismo genéticamente modificado (OGM) se define como un organismo que ha sufrido un cambio en su genoma por la manipulación de su patrimonio genético.

También se denominan organismos transgénicos si se refieren a organismos que se desarrollan a partir de una célula en la que se ha introducido un fragmento de ADN. Normalmente este término se deja para organismos pluricelulares, animales y plantas.

Cuando se hace referencia a virus o bacterias manipulados genéticamente, se les suele denominar organismos recombinantes.

Aplicaciones: Obtención de fármacos, agricultura y ganadería.

En la agricultura, las nuevas técnicas permiten la potenciación de características deseables (mayor rendimiento de los cultivos, resistencia a las herbicidas, a la sequía o a las plagas) como en la creación de variedades y especies nuevas.

En la ganadería, se busca evitar ciertas patologías y aumentar la producción de carne o de leche sin los riesgos que implica el engorde artificial con hormonas.

D. Terapias génicas

Por terapia génica se entiende aquel tratamiento de una enfermedad que se basa en la introducción de genes en el organismo.

Aplicación: La terapia génica se plantea como forma de atacar numerosas enfermedades con base genética (algunos tipos de cáncer) o hereditarias.

En 1990 se trató a la primera persona con terapia génica. Una niña de cuatro años con una inmunodeficiencia congénita mortal recibió transfusiones de células sanguíneas a las que se había introducido un gen productor del enzima que le faltaba, por tener un gen defectuoso.

Las esperanzas que ha despertado la terapia génica se basan en sus posibilidades futuras. Una buena técnica de terapia génica ha de conseguir introducir el gen deseado en células, introducir células en el organismo, que los genes lleguen en condiciones a su objetivo y controlar la expresión de estos genes.

E. Fármacos transgénicos

Uno de los éxitos de la ingeniería genética es la producción de moléculas que no se podían obtener por otros métodos.

La primera fue el interferón: Sustancia que activa el sistema inmunitario

Aplicaciones: Tratamiento de infecciones víricas y del cáncer.

Actualidad, ya se suministra insulina humana obtenida de cultivos de bacterias que contienen el correspondiente gen humano. Anteriormente se les proporcionaba la hormona procedente de animales.
Anticuerpos monoclonales

Aplicaciones: Tratamiento de enfermedades infecciosas, cardiovasculares o cáncer.

Vacunas fabricadas mediante las técnicas de recombinación genéticas.

Aplicaciones: La primera contra el virus de la hepatiti B, ahora se i9ntenta conseguir algunas que prevengan o traten el cáncer y contra el sida.

5. Alimentos transgénicos.

Los alimentos transgénicos son aquellos que han sido producidos a partir de un organismo modificado mediante ingeniería genética y al que se le han incorporado genes de otro organismo para producir las características deseadas, como plantas resistentes a determinadas plagas o con un rápido crecimiento de los órganos que sirven de alimento. La introducción de genes provenientes de otras especies producen sustancias que defienden a la planta de parásitos o le procuran un aumento de sus tejidos de interés alimentario.

Los mayores productores de semillas de plantas transgénicas son EE.UU.,Brasil, Argentina, Canadá y la India.

6. Pros y contras de la ingeniería genética utilizando argumentos científicos.

Pros de la ingeniería genética:

Posibilidad de creación de nuevas especies, a partir de la combinación de genes de varias existentes, combinando también por lo tanto sus características.
Permitir el cultivo de hortalizas en áreas desérticas hasta ahora estériles o aumentar el tamaño de los frutos cultivados. Logros que supone hacia la erradicación del hambre en el Mundo.
Fabricación de factor VIII recombinante, el factor de la coagulación ausente en pacientes con hemofilia.
El gen para la insulina, que por lo general sólo se encuentra en los animales superiores, se puede ahora introducir en células bacterianas mediante un plásmido o vector.

Contras de la ingeniería genética:

Estropear el equilibrio delicado de los ecosistemas con cambios que no podrían ocurrir naturalmente.
Los organismos genéticamente modificados son los más peligrosos. No se pueden contener y sus efectos son irreversibles
Peligro para la salud humana o de animales alimentados con transgénicos.
Problemas para el medio ambiente debido a la proliferación no deseada de organismos transgénicos en el medio natural. Ejemplo: Las plantas tratadas genéticamente están dejando como resultado la contaminación de ríos y embalses.
Contaminación biológica. Nuevos organismos vivos, bacterias y virus.

7. Qué es el PGH.

EL PGH es un proyecto internacional que proponía determinar la secuencia completa del genoma humano, esperando que proporcionará una ayuda al conocimiento de los procesos biológicos (desde la escala molecular hasta la evolutiva) y de la fisiología y patología de los seres humanos, y que se traducirá en multitud de aplicaciones técnicas y comerciales en ámbitos como el diagnóstico y terapia de enfermedades, biotecnologías, etc.

Al ser un proyecto muy ambicioso hicieron un Consorcio Público Internacional, formado por EEUU, Reino Unido, Japón, Francia, Alemania, China y otros países. Surgió a su vez una rivalidad con la empresa Celera Genomics por la paternidad del hallazgo. Iniciado en 1990, el proyecto se dio por concluido en el 2003, dos años antes de lo previsto. Esta fue la primera vez que la comunidad científica internacional se unía con un fin común.

8. Forma en que se codifica el ADN

Los ácidos nucleicos se clasifican en ácidos desoxirribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el núcleo celular y algunos organelos, y en ácidos ribonucleicos (ARN) que actúan en el citoplasma.

El ADN está formado por dos cadenas complementarias de nucleótidos en forma de doble hélice. Cada sección de ADN que codifica una proteína, se denomina gen. La información del gen se transfiere del ADN a una molécula llamada ARN mensajero usando el apareamiento de bases. Pero hay un cambio con el ADN: una base de adenina (A) en el ADN se aparea con una base llamada uracilo (U) en el ARN mensajero. El ARNm viaja desde el núcleo hacia el citoplasma a orgánulos llamados ribosomas donde dirige el ensamblado de aminoácidos, que forman las proteínas.

El Ácido RiboNucleico es una molécula muy parecida al ADN pero que desempeña otras funciones. Básicamente es la molécula que “media” entre el ADN y las proteínas. El ADN, lleva información y a partir de él se fabrican las proteínas. Pero por sí mismo no es capaz de interaccionar con las estructuras celulares que actúan de fábricas de las proteínas. Ahí entra el ARN para “ayudarle”.

El ARN además es capaz de realizar otro tipo de acciones dentro de la célula. Algunos ARN son reguladores, participando en las actividades celulares a modo de controladores, diciendo cuándo un gen se tiene que convertir en proteína y cuándo no.

9. La importancia de obtener el genoma completo de un individuo.

El genoma es la totalidad de la información genética de una célula, individuo o especie.

El conocimiento del genoma humano es un paso fundamental para terminar de conocer exactamente cómo se constituye un ser humano desde el punto de vista biológico y genético.

Cada uno de nosotros cuenta con genes que son transmitidos por nuestros antecesores. Esta información queda guardada en nuestros cromosomas. Ellos son los responsables de almacenar esta información y determinar así cuestiones como el sexo, el color de ojos, el tipo de pelo, el tipo de piel, la composición de nuestros órganos, posibles enfermedades o complicaciones hereditarias, nuestra adaptación al medio ambiente, etc. Esta información genética también se conoce como ADN. Si bien nos permite diferenciarnos uno de otro, también nos permite establecer reglas básicas del ser humano que lo diferencian del resto de los seres vivos.

La obtención del genoma completo de un individuo es importante en la ingeniería genética, ya que la falta de un gen podría provocar una deficiencia de alguna proteina o vitamina, al igual que enfermedades y malformaciones.

10 . Proyectos internacionales para descifrar el genoma humano.

Objetivos:

1. Identificación de los genes en el genoma humano.

2. Determinación de la secuencia de bases nitrogenadas que forman el ADN humano.

3. Mantenimiento a resguardo de la información anterior creando bases de datos de acceso público.

El PGH, formó un Consorcio Público Internacional, en el que participaron varios países para descifrar el genoma humano.

Proyecto ENCODE, es un proyecto colaborativo en el que participan numerosos científicos, cuyo objetivo es establecer una enciclopedia del ADN, con las secuencias que no codifican proteínas. Al descubrirse numerosas secuencias repetitivas, secuencias semejantes a genes normales pero no funcionales, llamadas pseudogenes, y secuencias de virus, se pensó que este ADN era de función desconocida o era de relleno y no tenía ninguna función, por lo que muchos autores lo llamaron ADN oscuro o ADN basura. El proyecto ENCODE pretende determinar este ADN basura, que constituye un 98% del genoma completo.

Proyecto HapMap, pretende hallar un catálogo de diferencias genéticas en la especie humana a partir del estudio de diferentes poblaciones. Las variaciones más habituales son los polimorfismos de nucleótido simple (SNP), es decir, la diferencia de un solo nucleótido en una determinada secuencia. Los SNP que están próximos en un cromosoma se heredan conjuntamente, en bloque. A cada conjunto de SNP de un cromosoma se le denomina haplotipo, lo que explica el nombre del proyecto. El objetivo fundamental es hallar polimorfismos SNP, especialmente asociados a los genes responsables del riesgo de padecer determinadas enfermedades y a la respuesta a ciertos medicamentos. Esto permitirá en el futuro el diseño de medicamentos personalizados en función de la constitución genética del individuo.