Biotecnología, alimentos y genéticaSergio Iván Padilla Tello

Aplicación de las tecnologías de información

1-8-2017

Biotecnología, alimentos y genética FCB-UANL

ContenidoIntroducción.......................................................................................................................................2

¿Qué es la biotecnología?..............................................................................................................2

Alimentos...........................................................................................................................................3

Efectos en la salud..........................................................................................................................4

Genética.............................................................................................................................................4

CRISPR............................................................................................................................................6

Conclusión..........................................................................................................................................8

Bibliografía.........................................................................................................................................8

Índice..................................................................................................................................................9

Tabla de ilustraciones.........................................................................................................................9

Introducción

¿Qué es la biotecnología?Podemos entender por biotecnología la serie de procesos industriales que implican el uso de organismos vivos, bien sean plantas, animales o microorganismos1. La biotecnología es la nueva revolución industrial. La idea que subyace en ella es sencilla: por qué molestarse en fabricar un producto cuando un microbio, un animal o una planta (los verdaderos protagonistas de la biotecnología) pueden hacerlo por nosotros. Así, se pueden lograr desde combustibles a medicinas, pasando por plásticos, alimentos, vacunas, recursos minerales, etc. Millones de años de evolución les capacitan para ello. Existen microorganismos para todo: los hay que son capaces de vivir en agua hirviendo, y los que habitan hielo, pasando por los que existen en el interior de la corteza terrestre. Son capaces de comer petróleo, madera, plástico, e incluso rocas sólidas.

Pero pese a todo, no siempre es fácil encontrar el organismo o célula adecuados para producir un determinado producto. No hay problema: se crean. Para ello la biotecnología cuenta con una poderosísima herramienta, la ingeniería genética. En muchas ocasiones, la propia biotecnología se confunde con ella.

Productos biotecnológicos inundan nuestra vida ya. No hay que esperar al futuro. Es verdad que los más célebres y comercializados son los que atañen a la salud: insulina, linfocinas, interferón,

1 Microorganismo: Ser vivo que solo puede visualizarse en un microscopio.

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hormona del crecimiento, eritropoyetina, factores de coagulación sanguínea, múltiples vacunas, antibióticos, vitaminas, etc. Pero también hay insecticidas, combustibles renovables, cultivos resistentes, plantas y animales mejorados en su producción, sistemas de control de la contaminación, colorantes, alimentos para ganado, etc. Y muchos más que pronto se comercializarán. La prueba del brillante futuro que aguarda a la biotecnología es el que empresas como Shell, Exxon, Glaxo, Standard Oil, Unilever, y muchas otras, cuentan con su propia división biotecnológica en la que invierten grandes sumas. (Romero, uned.es, 2008)

Principales campos de la biotecnologíaBiotecnología humanaBiotecnología industrialBiotecnología ambientalBiotecnología de alimentosBiotecnología genómica

En este documento trataremos las ramas de biotecnología genómica y de alimentos.

AlimentosDe acuerdo con la definición de la Comisión del Codex Alimentarius (CAC 2001a) (adaptada del Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología) se define a la biotecnología moderna como la aplicación de técnicas in vitro de ácido nucleico, incluido el ácido desoxirribonucleico (ADN) recombinante y la inyección directa de ácido nucleico en células u orgánulos, o la fusión de células más allá de la familia taxonómica, que superan las barreras fisiológicas naturales de reproducción o recombinación y que no son técnicas utilizadas en la reproducción y selección tradicionales.

El presente estudio se concentra en la aplicación de biotecnología moderna (especialmente tecnología de ADN recombinante) a organismos utilizados para producir alimentos.

La aplicación de la biotecnología moderna a la producción alimentaria presenta nuevas oportunidades y desafíos para la salud y el desarrollo humano. La tecnología genética recombinante, la biotecnología moderna más conocida, permite que plantas, animales y microorganismos sean genéticamente modificados (GM) con características novedosas más allá de lo que es posible mediante las técnicas de reproducción y selección tradicionales. Se reconoce que las técnicas como la clonación, el cultivo tisular y la reproducción asistida por marcadores son con frecuencia consideradas biotecnologías modernas, además de la modificación genética.

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La inclusión de rasgos novedosos ofrece un potencial aumento de la productividad agrícola, o mejor calidad y características de nutrición y procesamiento, lo que puede contribuir en forma directa a mejorar la salud y el desarrollo humano. Desde la perspectiva de la salud, también puede haber beneficios indirectos, como la reducción del uso de sustancias químicas para la agricultura, y un aumento de la producción agrícola, la sostenibilidad de los cultivos y la seguridad alimentaria, particularmente en los países en desarrollo.

Sin embargo, los rasgos novedosos de los organismos genéticamente modificados (OGM) también pueden acarrear potenciales riesgos directos para la salud y el desarrollo humano. Muchos de los genes y rasgos usados en los OGM agrícolas, aunque no todos, son novedosos y no se conocen antecedentes de uso alimentario inocuo. Diversos países han instituido lineamientos o legislación para una evaluación de riesgos obligatoria antes de la comercialización de alimentos GM. A nivel internacional, hay acuerdos y normas para abordar estos temas.

Los OGM también pueden afectar la salud humana indirectamente mediante impactos perjudiciales sobre el medio ambiente o mediante impactos desfavorables sobre factores económicos (incluyendo el comercio), sociales y éticos.

Es necesario evaluar estos impactos en relación con los beneficios y riesgos que también pueden surgir de alimentos que no hayan sido genéticamente modificados. Por ejemplo, las variedades nuevas, desarrolladas en forma tradicional, de un cultivo pueden tener también impactos — tanto positivos como negativos — sobre la salud humana y el medio ambiente. (Muñoz)

Efectos en la saludLos efectos en la salud de los alimentos cultivados de variedades de cultivos modificados genéticamente (también conocidos como alimentos GM) dependen del contenido específico del alimento en sí y puede potencialmente ser beneficioso u ocasionalmente dañino para la salud humana. Por ejemplo, un alimento GM con un alto contenido de hierro digerible puede tener un efecto positivo en la salud si es consumido por una persona con deficiencia de hierro. En cambio, la transferencia de genes de una especie a otra también puede conllevar la transferencia de riesgos de alergias. Estos riesgos deberán ser evaluados e identificados antes de que se comercialice. Algunas personas alérgicas a ciertas nueces, por ejemplo, necesitarán saber si los genes de cierta característica se transfieren a otros alimentos tales como la soya. Se requerirán etiquetas si tales cultivos se llegaran a comercializar. También hay preocupaciones sobre los riesgos potenciales a la salud del uso de señales de resistencia antibiótica de alimentos GM, a pesar de que no existe ninguna evidencia que lo pruebe.

Se podrán requerir etiquetas en algunos países para identificar el contenido nuevo que resulte de la modificación genética por razones culturales o religiosas o simplemente por el hecho de que los consumidores querrán saber cuál es el contenido del alimento y cómo fue producido para tomar

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decisiones basadas en conocimientos, sin que dependan de los riesgos de salud. (Departamentode Inocuidad Alimentaria, 2005)

GenéticaEn julio de 1980, diecisiete voluntarios recibieron inyecciones de insulina en el Hospital Guy de Londres: se trataba de las primeras personas a las que se administraba una sustancia elaborada mediante técnicas de ingeniería genética. Dos años más tarde, la insulina procedente de cultivos bacterianos recibía autorización para administrarlo regularmente a humanos; fue el primer compuesto logrado mediante organismos modificados genéticamente. Finalmente se demostró que los microorganismos pueden producir proteínas extrañas a ellos, y que éstas son de uso tan seguro para el hombre como las originales.

La ingeniería genética no es otra cosa que introducir información genética nueva en un organismo para dotarlo de capacidades que antes no tenía. Para ello hay diversos procedimientos, no sólo uno. Pero podemos afirmar que toda aplicación biotecnológica de la ingeniería genética consta de cuatro operaciones principales: obtención del gen en cuestión; introducción del mismo en el

organismo elegido; su inducción para que elabore su proteína; y, al acabar, la recogida del producto.

Una molécula de ADN contiene cientos, miles de genes. No poseemos técnica alguna que nos permita distinguir entre uno y otro. Por tanto, el aislar al gen debe partir de su producto. El más inmediato es el ARNm. Se seleccionan aquellas células en las que el gen

se exprese en mayor cuantía, y de ellas se aísla el correspondiente ARNm. Existen diferentes métodos que permiten efectuarlo. Ahora hay que convertir la información almacenada en el ARNm en un fragmento de ADN. Hasta hace pocos años, no se sabía cómo lograrlo; pero las transcriptasas inversas de los virus han sido la herramienta definitiva.

Una vez efectuado, se emplean ADN polimerasas para convertir el filamento sencillo de ADN en un segmento de doble hélice. A éste se le denomina ADN copia o complementario (ADNc) y es el objetivo final de la primera etapa.

Una vez conseguido el ADNc correspondiente, se introduce en un plásmido. Normalmente se usa uno que confiera resistencia a algún o algunos antibióticos. Las enzimas que catalizan tal proceso son las enzimas de reducción, de las que se conocen unos trescientos tipos distintos, cada una con capacidad para reconocer una secuencia específica de bases en el ADN. Una de sus propiedades es no cortar los dos filamentos del plásmido en el mismo punto, sino que lo hacen con un desfase de cuatro bases. Así quedan extremos “pegajosos”, en los que se puede unir el ADNc. La actuación posterior de una ligasa asegura dicha conexión y hace que la molécula recombinante sea estable.

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Ahora se puede introducir el plásmido recombinante en la bacteria, y una vez dentro, el plásmido se reproduce, y con él el ADNc. Cuando la bacteria se divide, puede legar copias a las dos bacterias hijas, aunque también es posible que sólo una se quede con todas. De entre todas las bacterias, hay que identificar cuáles portan plásmido recombinante. Se suele hacer adicionando aquellos antibióticos ante los que el plásmido confiere resistencia. De entre las bacterias con plásmidos recombinantes, algunas portarán un ADNc que no sea el del gen buscado. Mediante anticuerpos marcados radiactivamente se identifica qué cepas sí producen la proteína deseada.

No basta con esto, hay que lograr que el gen se exprese en el microorganismo. En este sentido nos enfrentamos a una dificultad: el control génico en procariotas es muy diferente del de eucariotas: un gen eucariota incluye tanto intrones 2 como exones 3en su ARNm; así, las secuencias reguladoras no serían entendidas como tales por la bacteria, que las transcribiría tal y como, resultando una proteína inadecuada. Por ello, el ARNm que se debe usar es ARNm maduro. También se suelen insertar, con él, secuencias de control bacteriano que indiquen que el microorganismo ha de expresar la proteína que sigue a dicha secuencia, de manera ininterrumpida. (Romero, uned.es, 2008)

Finalmente, algunas bacterias tienen modos de exportar sustancias al exterior a través de sus cubiertas, y así se puede inducir a que lo hagan con los productos recombinantes. Pero a veces hay que lisar la bacteria y extraer la proteína adecuada.

La ingeniería genética resultó profundamente modificada con el descubrimiento de la estructura de los genes eucariotas, a base de intrones y exones.

CRISPR Este nombre se refiere a un locus del cromosoma bacteriano en donde residen unos genes que están a la altura del fuego de Prometeo, pues con ellos se ha creado una poderosa herramienta que permite manipular el ácido desoxirribonucleico (ADN o DNA, por sus siglas en inglés) de cualquier organismo viviente sobre nuestro planeta. El nombre CRISPR identifica ahora a una técnica o herramienta con la que se logran cambios específicos en los genomas y que ha funcionado exitosamente en diversos organismos, incluyendo recientemente cigotos humanos. El CRISPR tuvo sus orígenes en investigaciones de ciencia básica que tal vez a algunos les hubiesen parecido ociosas, oscuras e irrelevantes. Al estudiar ciertos genes bacterianos enigmáticos, se encontró que el locus CRISPR aloja los engranajes de un sistema de defensa que, funcionalmente hablando, equivale a la “inmunidad adquirida” en animales. Es decir, que los “sencillos” organismos procariontes también tienen manera de “inmunizarse” contra reinfecciones por bacteriófagos con los que ya habían estado en contacto. Esta defensa está mediada por los genes del locus CRISPR, el cual está compuesto por el precursor de un ácido ribonucleico (ARN o RNA, por sus siglas en inglés) largo que es procesado en sus componentes maduros funcionales, los ARN cortos llamados crARN y tracrARN y por genes asociados “Cas” (CRISPR-associated).

2 Intron: Fragmento de ADN que está presente en un gen, pero no codifica ningún fragmento de la proteína.3 Exon: Contienen la información para producir la proteína codificada en el gen.

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El locus CRISPR funciona como un “archivo” de segmentos de ADN tomados del genoma de los fagos que previamente habían infectado a la bacteria. Los genes asociados (Cas) son fundamentales en su operación pues generan las proteínas involucradas en la creación del archivo. Sin embargo, la estrella del elenco es la Cas9 (CRISPR-associated 9), la endonucleasa que destruye al ADN del bacteriófago reinfectante, aunque ella por sí sola sea incapaz de actuar. La especificidad del sistema la proporcionan los crARN que reconocen, por apareamiento de bases, a las secuencias nucleotídicas del ADN de un bacteriófago reinfectante. Junto con el tracrARN, cada crARN apareado a su ADN blanco, forma un complejo con la Cas9 que corta al ADN blanco. La forma activa de la endonucleasa Cas9, solo existe cuando está en un complejo con el ADN, su crARN y un tracrARN, de ahí que no corta otros ADN de manera aleatoria. Este corte ocurre precisamente dentro de las bases apareadas en el híbrido ADN-ARN y en la hebra complementaria al ADN apareado. De ahí que en el complejo activo, la endonucleasa Cas9 corta ambas hebras del

ADN blanco inhabilitando al fago reinfectante. Esta situación, que ocurre en la naturaleza, ha sido simplificada y adaptada para su uso en prácticamente cualquier célula viviente gracias al trabajo de Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier , ganadoras del premio Princesa de Asturias. Ellas diseñaron y conjuntaron en un solo ARN, llamado sgARN (single guide RNA, o ARN guía), las funciones de los crARN y tracrARN. El sgARN dirige a la Cas9 hacia su blanco, con la

misma precisión que lo harían los crARN y tracrARN de la bacteria. Para obtener un sgARN con especificidad contra un blanco genómico (ADN) de elección, simplemente hay que diseñarlos con complementariedad (según las reglas de Watson y Crick) de bases Al introducir el sgARN y la Cas9 al núcleo de un eucarionte donde resida el ADN blanco, este será cortado en ambas hebras, generando un double stranded break (DSB). Usualmente este tipo de cortes son reparados, de manera imprecisa, por un sistema denominado nonhomologous end-joining (NHEJ). La inherente falta de precisión del NHEJ ocasiona que, durante la reparación, el ADN sufra inserciones o deleciones de bases (indels) alrededor del DBS. De esta manera, el ADN blanco sufre mutaciones que, dependiendo de su naturaleza, ocasionan la pérdida de función del ADN blanco, por ejemplo, por la pérdida del marco de traducción en un exón codificante.

Generar mutaciones tipo indel sobre un gene (ADN blanco) específico puede usarse para modificar alguna estructura o función celular en particular, es decir para modificar el fenotipo de un

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Ilustración 3

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organismo. CRISPR-Cas ha demostrado funcionar de esta manera en todos los organismos en que ha sido probado. (Lopez, 2015)

ConclusiónHay que tener cuidado con la venta de productos alimenticios transgénicos, dejar de pensar en el beneficio económico que traerá uno nuevo y preocuparse por el bien de la humanidad o los animales consumidores, es necesario realizar los estudios pertinentes para saber que no causaran ningún daño.

No hay duda de que el poder casi “divino” del CRISPR podría usarse con fines positivos o negativos. Existe el riesgo fundado de que el CRISPR sea usado para hacer modificaciones que vayan más allá de la terapia génica, en un intento de hacer ingeniería genética con fines eugenésicos.

La manera en cómo se manejen estas nuevas herramientas es responsabilidad de la humanidad, idealmente toda ella de una manera informada y ética. Solo recordemos, parafraseando a Maranto, que si se trata de construir un mundo y una sociedad mejor, los humanos desde hace años tenemos ya los medios necesarios; “en donde el amor, la compasión, el altruismo y la justicia han fallado, la manipulación genética tampoco tendrá éxito”. (W.Roca, 2012)

BibliografíaDepartamento de Inocuidad Alimentaria, Z. y. (1 de junio de 2005). who.int. Recuperado el 30 de

agosto de 2017, de http://www.who.int/foodsafety/publications/biotech/biotech_sp.pdf

Lopez, F. (junio-agosto de 2015). mediagraphic.com. Recuperado el 30 de agosto de 2017, de http://www.medigraphic.com/pdfs/facmed/un-2015/un154i.pdf

Muñoz, M. (s.f.). argenbio.org. Recuperado el 30 de agosto de 2017

Romero, G. (2008). uned.es. Recuperado el 30 de agosto de 2017, de http://www2.uned.es/experto-biotecnologia-alimentos/TrabajosSelecc/GloriaRomero.pdf

W.Roca. (20 de agosto de 2012). lacbiosafety.org. Recuperado el 30 de agosto de 2017, de http://lacbiosafety.org/wp-content/uploads/2012/10/ROCA-Seminario-Arequipa.pdf

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Índice ¿Qué es la biotecnología?..................................................................................................................3Alimentos...........................................................................................................................................3Bibliografía.........................................................................................................................................8Conclusiones......................................................................................................................................7CRISPR................................................................................................................................................6Efectos en la salud..............................................................................................................................4Genética.............................................................................................................................................5

Tabla de ilustracionesIlustración 1.......................................................................................................................................................3Ilustración 2.......................................................................................................................................................5Ilustración 3.......................................................................................................................................................7

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