LA INGENIERA GENTICA Y LA NUEVA BIOTECNOLOGA

LA INGENIERA GENTICA Y LA NUEVA BIOTECNOLOGAAutor: Francisco Xavier Sobern MaineroI. EL SUPLICIO DE TNTALOO LA HEBRA INACCESIBLEEl panorama antes del ADN recombinante Durante los ltimos 15 a 20 aos ha sido notable un avance sin precedente en el campo de las ciencias biolgicas. Esto se debe fundamentalmente al surgimiento de las tcnicas de ingeniera gentica o ADN recombinante.

Se ha requerido del avance concertado de la fsica, la qumica, la ciencia de materiales y del progreso econmico para poder acceder a la tecnologa necesaria para el estudio de los sistemas vivientes LAS MOLCULAS DE LA VIDA Las molculas de la vida surgieron hace quiz 3 o 4 mil millones de aos. Sus caractersticas y sus interacciones fundamentales han sido alteradas muy poco en todo este tiempo. De manera similar al crecimiento y evolucin de una ciudad, un ser vivo no se puede reinventar continuamente. La evolucin ha ocurrido partiendo de lo que ya hay, con modificaciones paulatinas. cidos Nucleicos Hasta los aos cuarenta los investigadores estadounidenses A very, McLeod y McCarty sugirieron que el material hereditario podra estar contenido en la sustancia llamada acido nucleico. En los siguientes 5 aos, se trabaj con sistemas de separacin y anlisis relativamente primitivos y demostraron que los investigadores estadounidenses tenan la razn.En el ao de 1953 de culmin el descubrimiento de la estructura tridimensional del acido desoxirribonucleico (ADN), realizado por Watson y Crick.En esta investigacin, Watson y Crick reunieron informacin sobre las propiedades de difraccin de rayos X del material recientemente identificado como el portador de la herencia. Es as como hoy en da sabemos que los genes estn constituidos por un polmero de entidades qumicas, los nucletidos arreglados en forma de escalera de caracol, bautizado con el nombre de acido desoxirribonucleico.El acido desoxirribonucleico, esta formado por dos cadenas. Puede ser descrito como un polmero constituido por cuatro diferentes monmeros.

El esqueleto es igual en todos los casos: un azcar (desoxirribosa) y un fosfato. Del esqueleto se desprenden las bases, que pueden ser A (adenina), G (guanina), C (citosina) o T (timina). Cada una de las cadenas integra una molcula, por que esta unida por enlaces fuertes (o covalentes), mostrados por medio de lneas continuas. La disposicin de las bases permite, adems, que una cadena tenga afinidad por otra, siempre y cuando esta corra en el sentido opuesto y su secuencia de bases haga que se mantenga la complementariedad entre las bases (A frente a T y G frente a C). Esta afinidad se debe a la formacin de enlaces dbiles (no covalentes) llamados puentes de hidrogeno

La expresin de la informacin genticaLa informacin contenida en la secuencia del ADN requiere convertirse en forma y funcin. El ADN constituye las instrucciones, es decir; los planos; son necesarios herramienta y materiales para ejecutar lo que dicen los planos. La maquinaria celular convierte la informacin del ADN en protenas especficas, una protena por cada gene. As, un gene no es ms que un segmento determinado dentro de alguna larga molcula de ADN.La informacin fluye del ADN hacia la protena, pasando por un intermediario, el ARN, muy similar al ADN, y con las mismas propiedades de la para miento que ste en el proceso llamado transcripcin, en el cual se van agregando una por una las bases del ARN, copiando la secuencia del ADN. Posteriormente, se ensamblan las molculas de protena, haciendo corresponder un aminocido por cada tres bases. Todo un conjunto de molculas y organelos participa en este proceso de traduccin. Hay una correspondencia inequvoca entre la secuencia del ADN y la de la protena para la que codifica, dada por el cdigo gentico. Este cdigo relaciona el idioma de cuatro letras de ADN, tomando grupos de tres en tres, con el idioma de las protenas, constituido por 20 letras o monmerosLa expresin de la informacin genticaLa informacin contenida en la secuencia del ADN requiere convertirse en forma y funcin. El ADN constituye las instrucciones, es decir; los planos; son necesarios herramienta y materiales para ejecutar lo que dicen los planos. La maquinaria celular convierte la informacin del ADN en protenas especficas, una protena por cada gene. As, un gene no es ms que un segmento determinado dentro de alguna larga molcula de ADN (como una cancin dentro de la cinta de un casete). La informacin fluye del ADN hacia la protena, pasando por un intermediario, el ARN (cido ribonucleico), muy similar al ADN, y con las mismas propiedades de aparamiento que ste en el proceso llamado transcripcin, en el cual se van agregando una por una las bases del ARN, copiando la secuencia del ADN. Posteriormente, se ensamblan las molculas de protena, haciendo corresponder un aminocido por cada tres bases. Todo un conjunto de molculas y organelos participa en este proceso de traduccin. Hay una correspondencia inequvoca entre la secuencia del ADN y la de la protena para la que codifica, dada por el cdigo gentico. Este cdigo relaciona el idioma de cuatro letras de ADN, tomando grupos de tres en tres, con el idioma de las protenas, constituido por 20 letras o monmeros.

Las molculas de cidos nucleicos tienen la propiedad de reasociarse si son separadas y, en general, de encontrar y asociarse con otras molculas cuya secuencia sea complementaria.La complementariedad que pueden tener dos hebras de cido nucleico se puede ilustrar si imaginamos una hebra con la siguiente secuencia: 5CAGTGAATTCAATCGAT3 y otra con la secuencia 5ATCGATTGAATTCACTG3 (los nmeros 5 y 3 marcan los extremos de las hebras que corren en sentido antiparalelo, como se ilustra en el recuadro I.1). Estas dos especies moleculares son complementarias, es decir; si las colocamos una frente a otra, en sentido antiparalelo (tal y como se encuentran en las molculas de ADN naturales), tenemos:5CAGTGAATTCAATCGAT33GTCACTTAAGTTAGCTA5y observamos que frente a C (abajo de la C, en la representacin mostrada), hay siempre G y viceversa, y frente a A, hay siempre T, y viceversa.Protenas Las protenas son, pues, la herramienta de los genes, el brazo ejecutivo de la maquinaria celular; todo lo que existe en la biosfera resulta, en consecuencia, del trabajo concertado y regulado de las protenas, dirigidas e interactuando con los genes y con el entorno.Estas mquinas moleculares son capaces de llevar a cabo las ms diversas funciones. Mediante la generacin de polmeros con diversas secuencias, la evolucin biolgica ha producido protenas capaces de transportar otras molculas (por ejemplo, oxgeno en la hemoglobina de la sangre); de constituirse en materiales resistentes, flexibles o contrctiles (pelo, tendones, msculos); de transmitir informacin y alterar procesos (hormonas como la insulina, toxinas como la causante del ttanos o venenos de serpientes, araas y alacranes); de transformar otras molculas al catalizar reacciones qumicas (enzimas).Las enzimas son protenas que merecen mencin especial. Dentro de una clula viva existen miles de sustancias diferentes, que potencialmente pueden sufrir transformaciones qumicas muy diversas. De hecho, slo algunas de estas reacciones podran ocurrir en condiciones suaves y a temperatura ambiente. La clula, sin embargo, sufre una constante transformacin. Esto se debe al trabajo de las enzimas. Su capacidad cataltica consiste en que, al interaccionar con sus "molculas blanco", es decir; aquellas a las que van a modificar (llamadas sustratos), facilitan transformaciones qumicas especficas, sin alterarse ellas mismas en el proceso: una enzima cataliza o induce una transformacin particular en miles de molculas de sustrato sobre las que acta en forma sucesiva. As, de la accin concertada de las enzimas resulta un proceso continuo de transformacin qumica, que es el responsable de la aparicin de forma, funcin y adaptacin al medio.

Carbohidratos, lpidos, esteroides, vitaminas, alcaloides, antibiticosCiertamente, cuando hablamos de molculas biolgicas nos referimos a muchos compuestos que no son protenas ni cidos nucleicos. Gruesos tomos de bioqumica atestiguan la existencia de los muchos miles de molculas y reacciones qumicas que se llevan a cabo en cualquier ser vivo. Est por dems decir que una descripcin de todas estas molculas y sus funciones est mucho ms all del propsito de este libro y de mis capacidades. Creo, sin embargo, que no es arbitrario dedicar ms espacio a explicar las propiedades de genes y protenas, y mencionar solamente que hay innumerables compuestos esenciales que, organizados, transformados y reclutados por las protenas, dan lugar al fenmeno de la vida.SEPARACIN DE IDENTIFICACIN DE LAS BIOMOLCULAS En la historia del desarrollo cientfico se puede observar la asombrosa capacidad del ingenio humano para intuir fenmenos que no ha podido observar directamente, y emitir avanzadas hiptesis respecto al funcionamiento de la naturaleza. Al mismo tiempo, se puede observar que es slo mediante el uso de mtodos, a veces extremadamente complejos, y de una tesonera experimentacin, que estas hiptesis se pueden finalmente validar o descartar.

De la descripcin de algunos de estos mtodos se puede inferir, quiz, una sensacin de lo que es una parte importante del diario quehacer de un cientfico experimental. De esta misma descripcin podemos tambin deducir la nocin fundamental de la importancia del surgimiento de las tcnicas de ADN recombinante.SEPARACIN Y ANLISIS DE PROTENAS Actualmente, en cambio, existen muy diversos y complejos mtodos para separar y caracterizar biomolculas. Los mtodos modernos se basan en alguna propiedad molecular que, al interaccionar con el dispositivo experimental da origen a la separacin. Ya mencionamos que el tamao molecular se puede utilizar para realizar esta accin. En la actualidad disponemos de tcnicas como la cromatografia de exclusin, la centrfugacin y la electroforesis para la separacin por tamaos. Afortunadamente, las protenas son molculas con tamaos muy variables y bien definidos. Una electroforesis del extracto de levadura mencionado revelara un patrn de mltiples componentes, en el que se pueden ir identificando protenas individuales. Las tcnicas de separacin de las biomolculasHay diversas tcnicas que se utilizan rutinariamente en el ADN recombinante. Una de las ms frecuentes es la electroforesis (figura RI.3A). Esta tcnica se aplica para el anlisis de ADN y de protenas y nos permite, en una de sus versiones, separar estas molculas de acuerdo con su tamao.El principio de la tcnica es muy simple: si sometemos una molcula con carga electrosttica (afortunadamente tanto el ADN como las protenas tienen esta caracterstica) a la accin de un campo elctrico, las molculas tendern a moverse: las de carga negativa hacia el electrodo positivo y las de carga positiva hacia el electrodo negativo. La velocidad a la que se mueven depender de la carga que tengan y del tamao que sean. Adems, se puede mejorar la separacin poniendo obstculos en su camino (un enrejado de molculas filamentosas, por ejemplo). Aqu, las molculas ms pequeas se podrn mover ms gil y rpidamente que las grandes. Al detener el proceso de electroforesis se obtiene un patrn o acomodo de bandas, cuya distancia del punto de inicio de la corrida corresponda a su tamao molecular.

En la actualidad se utilizan varios polmeros que forman tales enrejados o mallas, y adems impiden la difusin o prdida de resolucin de la separacin. Estos polmeros forman geles, especie de gelatinas que permiten mantener un registro estable de las molculas que se mueven dentro de ellos.De manera anloga, en la cromatografa de exclusin se puede colocar en una columna una suspensin o pasta de partculas con agujeros microscpicos y hacer fluir una solucin con las molculas a separar por esta columna. Las molculas ms pequeas se irn introduciendo en los orificios, lo cual retarda su movimiento. Las molculas grandes, que no caben en todos los agujeros, se retardarn menos. Si vamos colectando el fluido al final de la columna, irn apareciendo las molculas separadas: primero las ms grandes y al final las ms pequeas.

Otro principio de gran importancia en los procesos de separacin es explotar la diferente afinidad de unas molculas por otras. El procedimiento consiste en fijar un material que se une fuertemente a una protena a un soporte slido (por ejemplo, algo que se parezca a su sustrato). Estas molculas que se unen a protenas, especficamente, se denominanligandos.Al hacer pasar una solucin con una mezcla de protenas por una columna que contenga este soporte, la protena que es de nuestro inters se quedar adherida, mientras que las otras pasan de largo. S despus agregamos una solucin con abundanteligando libre, la protena se despega de la columna, pues ahora el sitio de unin lo ocupa el ligando que no est sujeto, y ya pura, se puede recuperar. Este proceso se denominacromatografa de afinidad.

Separacin y anlisis de los cidos nucleicoslos cidos nucleicos tienen apariencia de largas hebras de unidades bsicas. Aunque, en principio, las tcnicas de separacin usadas para las protenas tambin son aplicables para los cidos nucleicos, aqu nos encontramos ante un problema: los genes no son entidades moleculares aisladas, con propiedades fisicas o qumicas que los diferencien. As, hasta la mitad de los aos setenta, la estructura de los genes se haba inferido slo de manera general. Por medio de tcnicas genticas y de sntesis in vitro de polmeros de nucleotidos, se haba podido definir el fundamento del almacenamiento, transmisin y expresin de la informacin gentica; pero no se haba podido aislar o purificar; ni se conoca la secuencia de ningn gene en particular. Las tcnicas de separacin tenan una utilidad muy marginal, en tanto no se dispusiera de un ADN de tamao manejable y naturaleza uniforme. El avance de este campo de la ciencia dependa crticamente de poder darle la vuelta a este problema. La sensacin era, sin embargo, de desesperacin al no ver una posible salida. Pareca no haber modo de tener acceso al genoma. La comunidad cientfica se encontraba sujeta al suplicio de Tntalo: saba lo que buscaba y saba que era extremadamente importante, pero no poda alcanzarlo.