Ingeniería Genética, Biotecnología e Inmunología: Conceptos Clave y Aplicaciones

Ingeniería Genética y sus Herramientas

1. Ingeniería genética. CONCEPTO: La Ingeniería Genética, o tecnología del ADN recombinante, implica manipular ácidos nucleicos y genes en fragmentos que se insertan en células de distintas especies. Este proceso se realiza mediante diversas técnicas de edición genética para modificar la información genética según se desee. Los OGM, modificados por ingeniería genética, abarcan los OMG o transgénicos, que incluyen ADN externo. Estos organismos integran fragmentos de ADN ajeno en su genoma. La descendencia de células unicelulares heredará el gen, mientras que en cigotos, todas las células del organismo pluricelular serán portadoras, dando lugar a plantas y animales transgénicos.

Herramientas y técnicas utilizadas en ingeniería genética

2.1 Tecnología del ADN recombinante. La tecnología del ADN recombinante busca clonar fragmentos de ADN, insertando un gen de interés en células hospedadoras, principalmente bacterias, para su replicación. Esta técnica une fragmentos de ADN de diferentes orígenes, creando un ADN recombinante artificialmente. Se aplica a microorganismos, produciendo microorganismos recombinantes cuyo material genético ha sido modificado. Utiliza enzimas de restricción para cortar el ADN y la ADN ligasa para unir los segmentos cortados.

Enzimas de restricción: las tijeras moleculares

Las enzimas de restricción son endonucleasas que cortan los enlaces fosfodiéster en el ADN. Reconocen secuencias específicas de cuatro a ocho bases, llamadas sitios de restricción, que suelen ser palindrómicas. Pueden producir extremos romos o cohesivos en el ADN cortado. Los extremos cohesivos pueden unirse permanentemente en condiciones adecuadas con la ayuda de la enzima ADN ligasa, formando un nuevo enlace fosfodiéster.

La tecnología del ADN recombinante emplea los siguientes materiales:

• Inserto: gen de interés que se desea clonar.
• Vector de clonación: molécula de ADN a la que se une el inserto y que facilita su entrada en las células hospedadoras y la posterior replicación.
• Enzimas de restricción: con las que cortar el inserto y el vector, de modo que queden ambos con extremos cohesivos.
• Enzima ADN ligasa: une definitivamente el vector y el inserto.
• Células hospedadoras: en las que se producirá la replicación del ADN recombinante.

2.2 Procedimiento de clonación celular de ADN mediante tecnología del ADN recombinante. La clonación molecular de ADN busca generar múltiples copias idénticas de un fragmento específico de ADN mediante la técnica del ADN recombinante. Se emplean vectores de clonación, como plásmidos, diseñados para introducir genes en células hospedadoras. El proceso implica seleccionar y cortar el gen de interés, preparar el vector de clonación, unir el gen y el vector, e introducir el ADN recombinante en células hospedadoras, como bacterias. Las aplicaciones incluyen la producción de proteínas, la creación de organismos transgénicos y la investigación en biología molecular y genética.

2.3 LA TECNOLOGÍA "CRISPR" O "CRISPR CAS9: La tecnología llamada "CRISPR" o "CRISPR CAS9" se utiliza para editar el ADN de las células de una manera fácil. Esta tecnología funciona como unas tijeras moleculares que cortan el ADN en un lugar específico para luego modificar algún aspecto de esa parte del material genético, como eliminar o introducir genes. Las aplicaciones de la tecnología "CRISPR" o "CRISPR CAS9" son muy amplias y versátiles. Algunas de las aplicaciones incluyen:

1. En terapia génica, se pueden corregir enfermedades causadas por genes defectuosos o mutados, ofreciendo nuevas posibilidades de tratamiento para enfermedades genéticas.
2. En agricultura y ganadería, se pueden desarrollar variedades de plantas y animales con características deseables, como resistencia a ambientales adversas, enfermedades o condiciones.
3. En la transmisión de enfermedades, se pueden modificar poblaciones de insectos, como mosquitos, para prevenir la propagación de enfermedades como la malaria.
4. En investigación, se puede utilizar para estudiar enfermedades humanas en modelos animales modificados genéticamente.

2.4 PCR: CONCEPTO Y APLICACIONES: La PCR es una técnica que se utiliza para obtener muchas copias de un segmento específico de ADN. En esta técnica se emplea una enzima llamada ADN polimerasa, que es capaz de replicar el ADN. La PCR permite amplificar una pequeña cantidad de ADN para obtener suficiente material para su análisis en diversas aplicaciones.

Algunas de las aplicaciones de la PCR incluyen:

1. Identificación de personas en análisis forenses y pruebas de paternidad.
2. Identificación de bacterias o virus patógenos para el diagnóstico de enfermedades infecciosas.
3. Diagnóstico de trastornos genéticos mediante la amplificación de genes específicos.
4. Producción de múltiples copias de un gen para su estudio o para la producción de proteínas en grandes cantidades.

Terapia Génica y Aplicaciones de la Biotecnología

3. TERAPIA GÉNICA: La terapia génica consiste en introducir uno o más genes para tratar, prevenir o curar una enfermedad. Esta técnica puede implicar la introducción de formas sanas de un gen dañado o la sustitución de un gen defectuoso por una versión sana del mismo. La terapia génica puede realizarse in vivo (directamente en el paciente) o ex vivo (extrayendo células del paciente, modificándolas en el laboratorio y luego reintroduciéndolas en el paciente). Un ejemplo de aplicación de la terapia génica es la DISTROFIA MUSCULAR DE DUCHENNE. Esta enfermedad es una enfermedad degenerativa que causa debilidad progresiva de la musculatura debido a la falta de producción de la proteína distrofina funcional, esencial para mantener los músculos sanos. La distrofia muscular de Duchenne es causada por una mutación en el gen DMD, localizado en el cromosoma x. En el caso de la distrofia muscular de Duchenne, se pueden utilizar células madre pluripotentes inducidas (iPS) que son células adultas modificadas genéticamente para comportarse como células madre embrionarias. Estas células iPS pueden ser corregidas mediante la tecnología CRISPR-Cas9 para que produzcan distrofina funcional. De esta manera, se busca restaurar la producción de la proteína distrofina en las células musculares y mejorar la condición de los pacientes con distrofia muscular de Duchenne.

Aplicaciones de la Biotecnología

4.2 APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA.

Aplicaciones en Medicina

La denominada biotecnología roja analiza los procesos biológicos de células, bacterias u otros microorganismos, y los utiliza en el desarrollo de productos que ayuden en la prevención y el tratamiento de enfermedades. Entre las aplicaciones desarrolladas actualmente, destacan las siguientes:

1. Obtención de fármacos: Síntesis de antibióticos, hormonas (insulina, del crecimiento), antígenos, anticuerpos, vacunas.
2. Diagnóstico de enfermedades: La biotecnología ha permitido grandes avances en el diagnóstico de enfermedades, tanto en las de origen genético como en las causadas por microorganismos.
3. Terapia con células madre: Las células madre pluripotentes inducidas (iPS) son células adultas modificadas genéticamente, sometidas a un proceso de desdiferenciación, para que se comporten como células madre embrionarias y recuperen la capacidad de formar todos los tipos de célula.
4. Terapia Génica.
5. Medicina forense: Las pruebas de ADN permiten la identificación de restos humanos en catástrofes, exhumaciones de fosas, escenas de crímenes, restos arqueológicos, etc. La PCR permite amplificar muestras muy pequeñas y disponer de material suficiente. También se utiliza el ADN en pruebas de paternidad, para determinar parentescos y en estudios evolutivos.

Aplicaciones en Agricultura y Ganadería

En AGRICULTURA, mediante ingeniería genética se puede conseguir:

• Mayor rendimiento de los cultivos (frutos más grandes, más frecuentes).
• Resistencia a herbicidas, plagas, sequía (ej. maíz) o enfermedades.
• Creación de variedades nuevas.
• Arroz dorado (arroz con alto contenido en β-caroteno): es un OMG para contener altas cantidades de β-caroteno, precursor de la vitamina A, que puede paliar el déficit de esta vitamina en zonas con difícil acceso a una alimentación equilibrada.
• Control biológico de plagas utilizando bacterias modificadas genéticamente para que actúen como insecticidas biológicos.

En GANADERÍA se busca:

En los animales modificados genéticamente se ha buscado mejorar la producción, la calidad de la carne o la leche, la resistencia a enfermedades, a condiciones ambientales adversas (p. ej., a las altas temperaturas debidas al cambio climático), etc. También se producen animales transgénicos productores de fármacos o con determinadas mutaciones para servir de modelos en el estudio de enfermedades.

Aplicaciones en Medio Ambiente

La biotecnología se utiliza en la biodegradación de contaminantes ambientales, en la producción de biocombustibles y en la restauración de ecosistemas degradados, contribuyendo a la sostenibilidad ambiental.

Aplicaciones Industriales

La biotecnología industrial tiene como objetivo optimizar los procesos industriales de diferentes sectores con el fin de obtener productos biodegradables, cuya producción requiera menos energía y genere menos residuos; de esta manera, se reduce el impacto ambiental. Algunas de las herramientas biotecnológicas utilizadas industrialmente son: las enzimas, los microorganismos, las líneas celulares, las fermentaciones, las materias primas de origen renovable y los productos biodegradables, entre otros. Actualmente, la biotecnología se aplica a sectores industriales como la cosmética, la alimentación, los combustibles y las sustancias químicas. Proporciona aditivos, detergentes, biocombustibles, bioplásticos, nuevos tejidos, etc. La elaboración de alimentos como pan, yogur y queso y de bebidas como la sidra, la cerveza y el vino viene realizándose desde hace siglos y se basa en el aprovechamiento de ciertos procesos llevados a cabo por microorganismos que alteran, con su metabolismo, unos productos (harina, leche, zumo de fruta, cereal) transformándolos en los indicados anteriormente. En la elaboración de productos como pan, cerveza, sidra, vino, yogur y queso, se emplean microorganismos específicos para realizar fermentaciones que transforman los sustratos. Por ejemplo, en la elaboración del pan, cerveza, sidra y vino, las levaduras del género Saccharomyces fermentan azúcares para producir CO2 y alcohol. En cambio, en la producción de yogur y queso, bacterias lácticas fermentan lactosa en ácido láctico, acidificando el medio y coagulando las proteínas de la leche.

Anexo: Microorganismos

VIRUS: Los virus son entidades acelulares con material genético y cápsida proteica, parásitos intracelulares obligados sin metabolismo propio. Infectan células eucariotas vegetales, animales y bacterias. El virión es la forma extracelular del virus, inerte pero infectiva. Carecen de estructura celular y funciones vitales. Causan diversas enfermedades como sarampión y gripe. Su estructura incluye material genético y cápsida proteica, a veces con envoltura lipoproteica, adquirida de la célula hospedadora.

BACTERIAS: Las bacterias, pertenecientes al reino moneras, son organismos procariotas unicelulares con una amplia diversidad morfológica. Pueden producir antibióticos y tienen estructuras celulares características como paredes formadas por mureína y diferentes formas celulares como bacilos, cocos, vibrios y espirilos. Se dividen en arqueobacterias y eubacterias, siendo estas últimas las más comunes. Las arqueobacterias son extremófilas y presentan diferencias estructurales y moleculares respecto a las eubacterias. La tinción de Gram diferencia bacterias Gram-positivas y Gram-negativas según la estructura de su pared celular. Las bacterias tienen una gran importancia en procesos naturales, el microbioma humano, la investigación científica y la industria, pero también pueden causar enfermedades. El problema de la resistencia a los antibióticos surge por el uso inadecuado de estos medicamentos y puede combatirse con fagos, virus que infectan bacterias.

HONGOS MICROSCÓPICOS: Los hongos, pertenecientes al reino fungi, son organismos eucariotas unicelulares o pluricelulares, heterótrofos y con pared celular de quitina. Al igual que las bacterias, pueden producir compuestos antibióticos. Tienen una gran importancia en procesos naturales, como la descomposición de materia orgánica, y en la producción de alimentos y medicamentos, como el pan, la penicilina y algunos quesos. Algunos hongos son también parásitos de plantas o del ser humano, causando enfermedades como el pie de atleta y la candidiasis.

Inmunología: Mecanismos de Defensa

INMUNOLOGÍA: Es la ciencia que estudia los mecanismos de DEFENSA de los organismos a las infecciones producidas por microorganismos (virus, bacterias, hongos, protozoos). También estudia otros fenómenos relacionados: alergias, inmunodeficiencia, autoinmunidad, etc.

Conceptos Básicos de Inmunología

1. CONCEPTO DE INFECCIÓN. Una infección es la entrada o proliferación de microorganismos patógenos (virus, bacterias, hongos, protozoos) dentro de nuestro cuerpo. Una enfermedad infecciosa es una enfermedad producida por microorganismos patógenos. Algunas infecciones son locales, no se extienden por el organismo y no llegan a producir enfermedad.

CONTAGIO: El contagio es el mecanismo por el que un germen patógeno llega desde un organismo enfermo a otro sano. Hay dos formas de contagio:

1. Contagio directo. Ocurre cuando los microorganismos pasan por contacto entre el individuo enfermo y el sano, como en la gripe, SIDA, sífilis, etc.
2. Contagio indirecto. Es cuando los gérmenes son transportados desde el organismo enfermo por agentes intermediarios. Estos agentes pueden ser:

1. Agentes pasivos. Son objetos o sustancias que han tenido contacto con microorganismos patógenos como el agua, alimentos, tierra, estiércol, jeringuillas.
2. Agentes activos. Generalmente son artrópodos que transportan los gérmenes, como el mosquito, la mosca, la pulga.

Mecanismos de Defensa Orgánica

2. MECANISMOS DE DEFENSA ORGÁNICA: Este punto aborda los mecanismos de defensa orgánica, los cuales se dividen en dos categorías principales: mecanismos inespecíficos y mecanismos específicos.

Mecanismos Inespecíficos

2.1. MECANISMOS INESPECÍFICOS. Constituyen la primera línea de defensa del organismo contra agentes patógenos. Estos mecanismos actúan de manera general y rápida para proteger al organismo de una amplia variedad de amenazas. A continuación se desarrollan los aspectos clave de los mecanismos de defensa inespecíficos:

• Barreras Naturales:
  • Piel: Actúa como una barrera física que impide la entrada de microorganismos al organismo. Además, las glándulas sebáceas y sudoríparas producen sustancias que tienen propiedades antimicrobianas.
  • Mucosas: Las mucosas revisten las vías de entrada al organismo, como las vías respiratorias, digestivas y genitales. Producen secreciones como moco, saliva y lágrimas que contienen enzimas como la lisozima, que pueden destruir la pared de ciertos microorganismos.
  • Microbiota: La flora bacteriana normal presente en la piel e intestinal compite con microorganismos patógenos, impidiendo su proliferación.
• Respuesta Inflamatoria: Cuando se produce una lesión o infección, se desencadena una respuesta inflamatoria. Esta respuesta incluye la dilatación de los vasos sanguíneos, el reclutamiento de células del sistema inmunitario y la liberación de mediadores químicos para combatir la infección. La inflamación ayuda a limitar la propagación de la infección, eliminar agentes patógenos y promover la reparación de tejidos dañados.
• Inmunidad Innata o Congénita: Esta forma de inmunidad se encuentra presente desde el nacimiento y es compartida por todos los individuos de una especie. Incluye mecanismos como fagocitosis, inflamación, interferones y proteínas del sistema del complemento que actúan de manera rápida y no específica contra agentes patógenos.

Mecanismos Específicos

2.2. MECANISMOS ESPECÍFICOS. CONCEPTO DE RESPUESTA INMUNITARIA. Concepto de respuesta inmunitaria: Se adquiere tras un primer contacto con el microorganismo y se trata de una inmunidad adquirida. Se trata de la última barrera defensiva ante un ataque de microorganismos que ya han superado la barrera fagocítica. Las principales características de esta inmunidad:

1. Especificidad: actúa desarrollando una reacción específica (la respuesta inmune) ante la entrada en el organismos de cualquier molécula extraña (antígeno), que conduce a su reconocimiento y destrucción por los anticuerpos fabricados por los linfocitos. Diferenciamos: Respuesta humoral y celular.
2. Memoria: El sistema inmunitario recuerda la respuesta frente a un determinado patógeno y la guarda en su memoria, de forma que, ante una segunda infección por el mismo microorganismo, el sistema inmunitario es capaz de responder rápidamente.

Los mecanismos de defensa específicos están formados por un tipo de glóbulos blancos llamados linfocitos, los cuales atacan solamente a un tipo de sustancia o germen extraño contra el que han sido fabricados. Son los más eficaces (linfocitos B y linfocitos T).

Sistema Inmunitario e Inmunidad

CONCEPTO DE SISTEMA INMUNITARIO: Los mecanismos de defensa que no son específicos colaboran con los específicos y en conjunto constituyen el sistema inmunitario.

CONCEPTO DE RESPUESTA INMUNITARIA: Es la actuación de los mecanismos de defensa del sistema inmunitario contra la invasión de sustancias o gérmenes extraños al organismo no reconocidos como propios, que reciben el nombre de antígenos.

3. INMUNIDAD Y SISTEMA INMUNITARIO. CONCEPTO DE INMUNIDAD: Es el estado de protección que presenta un organismo frente a una infección, debido a su capacidad de producir una respuesta inmunitaria contra el agente patógeno. La inmunidad puede durar un tiempo o toda la vida.

Componentes del Sistema Inmunitario

3.1. COMPONENTES DEL SISTEMA INMUNITARIO: El sistema inmunitario está compuesto por diferentes componentes que trabajan en conjunto para proteger al organismo contra agentes patógenos y sustancias extrañas. Estos componentes incluyen células, órganos y moléculas clave. A continuación, se detallan los principales componentes del sistema inmunitario:

1. Células del sistema inmunitario:
   • Granulocitos: Son un tipo de glóbulos blancos que incluyen eosinófilos, basófilos (o mastocitos en tejidos) y neutrófilos.
   • Monocitos: Se transforman en macrófagos en los tejidos, encargados de fagocitar y destruir patógenos.
   • Linfocitos: Son un tipo de glóbulos blancos con un papel fundamental en la respuesta inmunitaria. Se dividen en dos grupos principales:
     • Linfocitos B: Producen anticuerpos y se diferencian en células plasmáticas productoras de anticuerpos o células de memoria.
     • Linfocitos T: Se dividen en varios subtipos, como linfocitos T cooperadores, citotóxicos, supresores y células de memoria. Participan en la respuesta inmunitaria celular.
2. Órganos del sistema inmunitario:
   • Médula ósea: Lugar de producción y maduración de los linfocitos B.
   • Timo: Sitio de maduración y selección de los linfocitos T.
   • Ganglios linfáticos: Masas linfoides encapsuladas donde los linfocitos entran en contacto con antígenos.
   • Bazo: Contiene zonas ricas en linfocitos B y T, y participa en la eliminación de glóbulos rojos defectuosos.
   • Tejidos linfoides asociados a mucosas: Incluyen amígdalas, apéndice vermiforme y placas de Peyer, que protegen las mucosas acumulando células inmunitarias.
3. Moléculas del sistema inmunitario:
   • Anticuerpos: Proteínas que se unen a antígenos específicos para neutralizarlos.
   • Interleucinas y linfocinas: Sustancias producidas por glóbulos blancos y linfocitos que activan otras células del sistema inmunitario.
   • Interferones: Proteínas que protegen a las células contra infecciones virales.
   • Sistema del complemento: Conjunto de proteínas plasmáticas que participan en la destrucción de células extrañas y en la activación de macrófagos.

Estos componentes trabajan de manera coordinada para reconocer, atacar y eliminar agentes patógenos y sustancias extrañas, manteniendo así la integridad y la salud del organismo.

Antígenos

3.2. CONCEPTO Y NATURALEZA DE LOS ANTÍGENOS: Los antígenos son sustancias no reconocidas como propias por el organismo que desencadenan una respuesta específica del sistema inmunitario. Los antígenos son reconocidos como extraños y provocan la producción de anticuerpos o la activación de células del sistema inmunitario para su eliminación.

Naturaleza de los antígenos: Los antígenos pueden tener una estructura y composición muy variable, ya que pueden ser proteínas, polisacáridos, lípidos complejos u otras moléculas con capacidad antigénica. Estas sustancias pueden estar presentes en toxinas, en la cubierta de microorganismos, en la membrana de células, entre otros lugares. Los antígenos poseen determinantes antigénicos o epítopos, que son las regiones activas del antígeno que se unen a los receptores del sistema inmunitario, desencadenando la respuesta inmunitaria.