¿Para qué nos sirve la Biología Molecular?
Camarena R., F. 1999. ¿Para que nos sirve la Biología Molecular?. Divulgare 7 (27): 46-57.
La Biología Molecular se encarga del estudio de las bases moleculares de la vida y centralmente se ocupa de investigar a la molécula denominada “ácido desoxirribonucleico” (ADN) que contiene la información genética heredable. Los estudios que se realizan en esta área buscan descubrir diversos secretos de esta molécula, por ejemplo, ¿cuál es su contenido?, ¿cómo funciona?, ¿cuáles son sus mecanismos de regulación?. En la actualidad se han logrado importantes avances en el tema lo que permite su aplicación para el mejoramiento de bienes y servicios, así como entender más adecuadamente las bases moleculares de la vida y de algunos mecanismos de la herencia.
¿Pero, qué es el ADN?
El ADN es una molécula compuesta por numerosas unidades, cuya secuencia contiene la información necesaria para dirigir la producción de las proteínas requeridas en los procesos metabólicos que se efectúan en los seres vivos, por ejemplo la construcción y mantenimiento de los tejidos y los órganos. Esta molécula también posee la capacidad de copiarse a si misma (replicación) en una serie de reacciones que se efectúan cada vez que una célula se reproduce, de esta forma, a partir de una célula con una molécula resultan en la reproducción celular al menos dos células hijas, cada una de ellas con una copia de la molécula original de ADN.
La información que contiene el ADN es como un lenguaje universal que se traduce en proteínas y es utilizado por toda la amplia gama de seres vivientes. En dicho lenguaje las unidades de la molécula equivalen a palabras, de tal forma que una secuencia específica de unidades, llamadas nucleótidos, produce sólo una proteína específica. La forma del ADN es similar a una escalera de caracol, en la que en cada lado del peldaño tiene una de cuatro bases posibles: adenina -A-, timina -T-, guanina -G- y citosina -C-. La secuencia de bases en el ADN se transcribe en una secuencia complementaria de ARN mensajero, que es el que se traduce en una secuencia de amino ácidos que conforman a la proteína. Una secuencia son las bases de un lado en una porción de la escalera y son leídas de tres en tres. Es como si nuestro alfabeto tuviera solo cuatro letras y todas las palabras se formaran a partir de secuencias que consistieran de tres letras.
Para que se produzca una proteína se necesitan de una gran cantidad de nucleótidos de un fragmento de ADN, denominado gen. En un solo hilo de ADN se pueden tener numerosos genes, tantos como el número de proteínas que requiere un organismo para vivir. En ese mismo hilo también existen grandes secciones que al parecer no tienen significado, o al menos aun no se descubre.
El proceso de producción de proteínas es de gran universalidad ya que tiene patrones seguidos por todos los seres vivos, en los que participan otras moléculas y organelos de las células. En el proceso, una secuencia del ADN del núcleo celular es copiada en una molécula que se denomina ARN mensajero, la cual se traslada a un organelo celular (retículo endoplásmico) en donde ciertos corpúsculos (ribosomas) se encargan de la producción de proteínas. Es como si en una fábrica en la gerencia (núcleo) tuvieran todas las instrucciones para cada producto (ADN), que cuando es requerido se envía una carta (ARNm) a las áreas de producción (retículo endoplásmico) en donde el personal especializado (ribosomas) se encarga de la elaboración (construcción de las proteínas) siguiendo las instrucciones de la carta.
Para que la proteína sea utilizada en los procesos metabólicos de los seres vivos, pueden requerirse arreglos posteriores que se llevan a cabo en otro organelo celular, el aparato de golgi, en el símil de la fábrica sería el departamento donde se detalla y retoca el producto antes de sacarse al mercado. En todas las fases del proceso de producción existen mecanismos de regulación, que garantizan una adecuada cantidad y calidad de las proteínas, con el menor costo energético, en el caso de la fabrica equivaldría a una adecuada gerencia y departamentos eficientes de control de calidad y de inspección o auditoria.
Las dificultades para que nosotros entendamos una secuencia son diversas, ya que dependiendo de la proteína que se produzca, los mensajes pueden ser complejos, o bien ser recogidos en diferentes porciones del ADN. Es de esperarse que en organismos sencillos, como las bacterias, sea más simple la interpretación de una secuencia, en comparación a la complejidad de los organismos superiores, por ello muchas de las investigaciones en el área iniciaron con las bacterias, pretendiendo entender, primeramente, lo más simple.
Las bacterias y la biología molecular
La bacteria Escherichia coli es una de las estudiadas más ampliamente, ya que es relativamente fácil de obtener (se encuentra en el aparato digestivo del humano), es fácil de cultivar (se conocen sus requerimientos alimenticios), se puede reproducir en laboratorio, sus procesos metabólicos son relativamente simples (la mayoría están caracterizados), su información genética es relativamente simple (tiene alrededor de 3 millones de pares de bases), se puede controlar su mecanismo de reproducción (división celular) y produce descendencia idéntica genéticamente (clon).
Los estudios con la bacteria E. coli han sido muy numerosos y fructíferos, lo que ha permitido se descubran diversos aspectos acerca de la forma y función de su ADN. Actualmente, también se conocen numerosos detalles de los procesos de elaboración de muchas de sus proteínas, lo que ha permitido encontrar la relación que existe entre diferentes porciones del ADN (genotipos) con las proteínas que se producen (fenotipos). El genoma de E. coli ha sido una de las claves básicas para ir descifrando los mecanismos de herencia y funcionamiento de la traducción del código genético a partir del ADN, como la inscripción de la piedra Rosetta fue la clave para descifrar los jeroglíficos egipcios.
¿Cómo se estudia y manipula el ADN?
En la investigación molecular, para identificar una porción de ADN se utiliza una combinación de métodos bioquímicos y físicos. Los bioquímicos nos permiten la purificación del ADN, eliminando cualquier otro tipo de sustancia como las proteínas, las grasas y los carbohidratos. Los métodos basados en principios físicos son variados; en uno de los más utilizados, la electroforesis, se colocan fragmentos de ADN en un campo eléctrico. El ADN, debido a que posee una cadena de fosfatos formando enlaces diester tiene una carga eléctrica neta negativa a un pH determinado, por lo que y es atraído al polo positivo (ánodo). Si deseamos comparar el tamaño de dos fragmentos de ADN, se colocan en un soporte inerte que haga las funciones de cedazo, lo que permite que los fragmentos mayores sufran un retrazo por efecto del cribado, de tal forma que si aplicamos corriente eléctrica durante un tiempo determinado, al final podemos comparar la diferencia entre las distancias recorridas y es posible inferir el tamaño relativo de los fragmentos.
El ADN es susceptible de ser marcado con una serie de sustancias para hacerlo más fácilmente detectable. Estas sustancias pueden ser desde radioactivas hasta las que pueden hacerse evidentes colorimétricamente. Una vez marcado, nos permite hacer análisis bioquímicos.
Para ir descifrando el ADN de organismos complejos (eucariontes), desde hace más de dos décadas surgió la idea de tomar genes procedentes de un organismo eucarionte, e insertarlo en bacterias, particularmente en la E. coli. El trasladar la información genética de un organismo a otro es como hacer un transplante de órganos, en donde ya una vez identificado el fragmento de interés, se requiere de un sistema para cortarlo (tijeras), de un vector que brinde el mecanismo para trasladar esa porción (pinzas) y de organismos capaces de recibirla. Dicho de otra forma se necesita resolver la siguiente ecuación:
Mecanismo para cortar una secuencia (ADN eucarionte). |
+ |
Mecanismo de traslado (Vector) |
+ |
Mecanismo para pegar la secuencia con el vector |
+ |
Bacterias (E. coli capaces de recibir el ADN ajeno) |
= |
Bacterias con un fragmento adicional de ADN. |
El estudio de los virus y las claves para trasladar información genética.
Los estudios efectuados con los virus, particularmente en los llamados bacteriófagos, brindaron numerosos descubrimientos que resultaron claves para efectuar el traslado de la información genética de un organismo a otro. Los bacteriófagos son virus que atacan a las bacterias y generalmente son de una gran especificidad, al atacar cada grupo de virus a una especie de bacteria, o incluso a un cultivo en particular. En términos generales, los bacteriófagos en un ataque típico, reconocen a las bacterias por medio de señales químicas en las que participan las proteínas, posteriormente se fijan en sitios específicos de la membrana e "inyectan" su información genética, como lo es el ADN. Posteriormente, la información genética del virus "se apropia" de los mecanismos bacterianos de replicación del ADN y de los sistemas de producción de proteínas, de tal forma que se producen nuevos virus, hasta que la membrana de la bacteria se rompe y los libera. En otras ocasiones, la información genética del virus solo se incorpora en el ADN de la bacteria, sin destruirla y aporta nuevas secuencias.
Las bacterias tienen diversos mecanismos para protegerse del ataque de los virus, como es el uso de las endonucleasas, las que son un tipo de enzimas que brindan protección a las bacterias. Estas enzimas al reconocer secuencias específicas actúan cortando del ADN viral, con lo que se inhibe el ataque. Existe una gran variedad de endonucleasas, ya que hay una gran diversidad de especies de bacterias y cada especie puede ser atacada por diferentes bacteriófagos. Actualmente se han descubierto y aislado cientos de estas enzimas, cada una de ellas corta determinadas secuencias, de tal forma que se pueden utilizar como tijeras moleculares, dicho de otra forma, las endonucleasas brindan un mecanismo para cortar una secuencia específica.
La clave para identificar el mecanismo de traslado de un organismo a otro, también se obtuvo del estudio de los bacteriófagos, ya que como se indico, las bacterias sin ser destruidas pueden recibir ADN ajeno (de los virus). Póngase a pensar en la posibilidad de cortar una porción ADN eucarionte usando las endonucleasas, para después pegarlo a un virus y finalmente incorporarlo a las bacterias, sin que estas mueran. El mecanismo para pegar un fragmento de ADN eucarionte al vector se obtuvo en investigaciones con los virus. El ADN viral se cortó con una endonucleasa, la que posteriormente se inactivó. Al poco tiempo se observó un resultado interesante, los fragmentos se volvieron a unir espontáneamente, descubriéndose la participación de otras enzimas, las ligazas. Cuando se preparó una mezcla de ADN de los virus y de las bacterias, después del corte los fragmentos se fusionaron al azar, por efecto de las ligazas, formando algunas moléculas donde se combinó la información genética de virus con la de bacterias, lo que brindó una guía para desarrollar un sistema para unir una secuencia eucarionte con el ADN del virus.
Buscando una mayor eficiencia en el proceso se investigó acerca de otras moléculas de ADN bacteriano que se encuentran fuera del cromosoma, como lo son los plásmidos. Estas moléculas se pueden duplicar independientemente del cromosoma y resultaron tan útiles como los virus, ya que también pueden recibir secuencias ajenas y son vectores adecuados para introducir secuencias en las bacterias.
La ultima pieza del rompecabezas, la obtención de bacterias capaces de recibir ADN ajeno, se resolvió con el conocimiento bioquímico de las membranas celulares. La membrana al ser expuesta a condiciones químicas especiales cambia su permeabilidad, como por ejemplo con el incremento de calcio en el medio y cambios bruscos de temperatura, de tal forma que puede penetrar fácilmente un vector.
Uno de los éxitos más renombrados del traslado de la información genética de un organismo a otro, es la incorporación del gen humano relacionado con la insulina en la E. coli y la inducción para que la bacteria la produzca, de tal forma que hoy en día, la insulina comercial procede de una bacteria modificada con las técnicas moleculares.
Amplificación artificial del ADN
La inserción de un gen en las bacterias también brindó la posibilidad de multiplicarlo, con el fin de facilitar las investigaciones al poder contar con una mayor cantidad de copias de una porción de ADN, que originalmente pueden tener poca masa. Como ejemplo tenemos el gen que produce la -Globulina en el humano tiene una longitud de 2,000 pares de bases (letras del código genético), cada célula humana tiene dos genes y un humano tiene en promedio 10,000,000,000,000 células, si extraemos todos los genes de -Globulina de una persona obtenemos un total de 0.000042 g.
Si cortamos un gen de -Globulina, lo introducimos en una E. coli mediante un plásmido y la cultivamos en un litro de medio de cultivo, en 12 horas, estará saturado con bacterias y obtendremos 0.000527 g. El cultivo lo podemos llevar a la cantidad de litros que deseemos, en consecuencia, por este método es posible obtener prácticamente cualquier cantidad del gen -Globulina, sin tener que sacrificar a un organismo.
Otro gran reto metodológico fue la multiplicación sintética de un fragmento de ADN sin utilizar las bacterias, lo que se logró en la década de los ochentas con un método automatizado denominado amplificación por reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Con el PCR se induce la replicación de una secuencia específica utilizando diferentes sustancias y cambios de temperatura, con auxilio de un aparato llamado termiciclador, de tal forma que en una reacción a partir de un fragmento de ADN obtenemos dos. Si la reacción la repetimos 30 ciclos sucesivos, de un solo fragmento obtenemos al final 377,133,056 copias idénticas.
Algunas aplicaciones de la Biología Molecular.
La aplicación de los conocimientos obtenidos por medio de la Biología Molecular es la Biotecnología, la que podemos dividir en diferentes líneas de trabajo dependiendo de su aplicación. La biotecnología la podemos clasificar siguiendo diferentes esquemas, uno de ellos la divide en industrial, ambiental, alimentaria, agrícola, minera, marina, así como en la Bioingeniería, investigaciones en fermentaciones y la tecnología enzimática. Algunos ejemplos de las aplicaciones de la Biología Molecular que han sido muy publicitados, corresponden a la producción de alimentos, la producción de fármacos, la clonación, la producción de organismos transgénicos, la identificación de organismos y de enfermedades.
1) Producción de alimentos y bebidas fermentadas.
La fermentación la entendemos como la descomposición de sustancias orgánicas (excluyendo a las proteínas) por medio de microorganismos, especialmente bacterias y levaduras. Sabemos que de los procesos de fermentación se obtienen diversos productos como: la cerveza, el vino, la salsa de soya, el yogurt y los quesos, entre muchos otros. En el proceso, los microorganismos producen enzimas (son un tipo de proteínas) que descomponen las sustancias orgánicas, de lo que resulta la modificación de los productos que se utilizan como insumos, así el jugo de uva es transformado en vino o la leche en yogurt.
Entre los microorganismos utilizados, existen algunos que efectúan la transformación eficientemente pero que son difíciles de mantener en los procesos productivos, por otro lado, también existen los que son poco eficientes pero que son sumamente fáciles de mantener. Cuando la eficiencia se debe a un gen particular, este puede ser cortado e insertado en el organismo que sea más fácil de manejar. Así, además de lograr una mayor eficiencia se mejoran notablemente los procesos de producción y la calidad de los productos.
2) Producción de fármacos.
Ciertos fármacos son producto de las actividades metabólicas de algunos organismos, por ejemplo la penicilina es obtenida del hongo Penicillium. Comercialmente se manejan más de 100 antibióticos producidos por microorganismos, los mas conocidos además de la penicilina, son la tetraciclina, la cefalosporina y la eritromicina.
La posibilidad de trasladar un gen de un organismo a otro, también permite trasladar la información genética relacionada con la producción de un determinado fármaco. Un ejemplo es la insulina, que se obtenía a partir del páncreas de vacas o cerdos, con elevados costos de producción y gracias a las técnicas de la Biología Molecular se identificó el gen que produce la insulina en el humano, se insertó a la bacteria E. coli y así se producen grandes cantidades de insulina humana con reducidos costos.
3) Clonación.
A principios del siglo la clonación o producción de clones, se conceptualizaba como un resultado de la reproducción asexual, típica en algunos organismos como las bacterias, en donde todos los individuos descienden por división simple y por lo tanto contienen la misma información genética. Actualmente este concepto se aplica para referirnos a diferentes individuos que tienen la misma información genética, independientemente del tipo de reproducción.
Las clonas que más comúnmente se mencionan en la Biología Molecular corresponden a las bacterias que se les insertó un fragmento de ADN ajeno y que se mantienen en cultivos. Hoy en día existen bancos de clonas, conocidos como bibliotecas genómicas, las cuales sirven de base para el estudio de diferentes genes o secuencias específicas.
Durante el año de 1997 se logró clonar a un mamífero, aplicando diversas técnicas como las utilizadas en el estudio de las células, en las investigaciones de reproducción y las propias de la biología molecular. El procedimiento, en términos generales, consistió en obtener células del vientre de un borrego de la variedad "Finn Dorset", que se cultivaron en un medio artificial con muy baja concentración de nutrientes, provocando que las células se dejaran de dividir y se inactivaran temporalmente los genes. Por otro lado, de un borrego de la variedad "Blackface" se obtuvieron óvulos maduros y se les extrajo el núcleo (óvulos enucleados).
Las células y los óvulos enucleados se pusieron en contacto físico y se aplicaron pulsos eléctricos, que provocaron primeramente la fusión de una célula con un óvulo, y posteriormente indujeron a la división de esta célula-óvulo, que se mantuvo en condiciones artificiales hasta la formación del embrión. El embrión se implanto en el útero de otra borrega de la variedad "Blackfase". Después del periodo de gestación normal nació la famosa borrega Dolly, de la variedad "Finn Dorset". Esta clonación provocó una gran controversia al demostrar la posibilidad de clonar otros mamíferos, incluyendo al humano.
Pocos meses después los japoneses superaron la proeza, al incrementar la eficiencia de la clonación, ya que en el experimento de Dolly se requirieron 29 embriones y solo nació un borrego, en cambio los japoneses, en un experimento equivalente con las vacas "Herd", de 10 embriones obtuvieron 8 becerros.
4) Modificación de organismos, producción de animales y plantas transgénicas.
En la producción de bienes y servicios a partir de organismos vivos, es común el problema de utilizar un organismo que posee una característica deseable pero muchas otras características indeseables. Actualmente es posible identificar una porción de la información genética que produce los caracteres deseables, seleccionarla y establecer estrategias para su mayor aprovechamiento.
Un ejemplo son las semillas de maíz producidas por la compañía biotecnológica Monsato. Las semillas de Monsato tienen insertada una porción de información genética de otra planta que posee una elevada resistencia a diversos tipos de plagas, es decir, se introdujo una característica deseable en las semillas que no la presentaban. El trabajo molecular se utilizó también para mantener el negocio, ya que adicionalmente se les agregó un mecanismo molecular que produce infertilidad en las semillas de la primer cosecha, de tal forma que el agricultor tiene que comprar semillas para las siguientes temporadas de siembra, asegurando la compañía su mercado y su patente.
5) Identificación de individuos, familias y poblaciones.
El ADN en todos los individuos de una clona o de cada célula corporal de un organismo pluricelular, como el humano, es idéntico, pero en los organismos pluricelulares con reproducción sexual, hay diferencias sutiles entre padres e hijos, un mayor grado de disimilitud entre parientes y es muy desigual entre organismos de grupos muy diferentes (genealógica o evolutivamente).
A las secuencias que nos permiten reconocer más rápidamente los parecidos o las disimilitudes entre organismos, la utilizamos como marcadores moleculares y tienen una gran diversidad de aplicaciones, que van desde las pruebas de paternidad hasta el reconocimiento de familias, poblaciones o especies, entre otras. Gracias a esto se resuelven problemas en áreas como ecología, taxonomía, genética, evolución o incluso en criminalística.
Las pruebas de paternidad y los usos en criminalística son las aplicaciones más difundidas del uso de marcadores moleculares, ya que han permitido resolver numerosos problemas legales en varios países. En las pruebas de paternidad, se toman muestras del posible hijo y del padre, de las que se extrae el ADN de regiones que funcionen como marcadores moleculares y se contrasta con el de familiares y el de otras personas, y se evalúa el grado de similitud y disimilitud. Esta prueba tiene un muy amplio margen de seguridad, aunque se debe ser cauteloso ya que existen individuos genéticamente iguales (clonas) o bien con similitudes excepcionales, como el caso de los hermanos gemelos.
6) Reconocimiento de enfermedades.
En los últimos años se han descrito más de mil enfermedades hereditarias en los humanos, como la anemia de células falciformes, la enfermedad de Tay-Sachs, la de Huntington y la distrofia muscular. Para un importante número de estas enfermedades se han desarrollado métodos moleculares que permite detectarlas aún antes de manifestarse, esto brinda la oportunidad de aplicar tratamientos que contrarresten o al menos disminuyan su manifestación. Una de las últimas novedades en este campo es el denominado microchip, con el que se puede detectar en una muestra de ADN humano a cientos de enfermedades heredables, en un análisis que se efectúa en menos de 48 horas.
Por otro lado también existe otro grupo importante de enfermedades que son producidas por virus, bacterias, hongos o protozoarios. Como indicamos anteriormente los marcadores moleculares nos permiten reconocer individuos, poblaciones o especies, y en consecuencia también podemos identificar específicamente al agente que produce una enfermedad. Esta identificación, es particularmente importante en casos donde las enfermedades son de diagnóstico dudoso.
Por otra parte, la identificación de agentes causantes de enfermedades, sería muy conveniente en organismos de importancia económica. Un tratamiento oportuno puede marcar la diferencia entre unos cuantos organismos enfermos y una epizootia que destruya un cultivo. Como ejemplo se puede mencionar la enfermedad conocida como el síndrome de Taura, que a principios de esta década destruyó casi por completo los cultivos de camarón en Ecuador, llevando a la bancarrota a muchos productores. El virus que produce esta enfermedad se transmite por los hábitos caníbales del camarón. Si en un estanque de cultivo se detectara oportunamente el virus, podría aislarse de los otros estanques y evitar una epizootia.
Y el futuro de la Biología Molecular.
Aun existen múltiples aspectos que faltan por resolver, de tal forma que el uso de las técnicas moleculares es limitado a la investigación y a pocos procesos productivos. Los obstáculos incluyen el desconocimiento de numerosos aspectos básicos, como el contenido de la información genética y sus mecanismos de expresión, para la mayoría de los seres vivientes. Actualmente se efectúan numerosas investigaciones para continuar descubriendo los secretos del ADN y aplicar los conocimientos hasta el momento adquiridos, participando una gran diversidad de instituciones.
Un ejemplo de ello es el proyecto del Genoma Humano, en el que participan instituciones gubernamentales, educativas y privadas de numerosos países, principalmente Estados Unidos, Francia, Alemania, Japón, Reino Unido y otros miembros de la Unión Europea. Esta investigación busca identificar a todos los genes del núcleo de la célula humana, establecer el lugar que ocupan en los cromosomas y determinar la secuencia de la información genética. El proyecto también pretende asociar la información genética con los rasgos humanos específicos y con las enfermedades heredables.
En este proyecto, a principios de 1996 se habían identificado más de 150 millones de pares de bases de ADN humano, insertado 1,600 genes de función conocida en bacterias y asociado, al menos, 1,000 enfermedades genéticas con algún defecto de una secuencia identificada. El avance del proyecto es considerable, ya que a mediados de 1999 se conocía la secuencia de más de una tercera parte del genoma humano.
Los avances logrados en la Biología Molecular y las aplicaciones que se les dan, nos pueden recordar historias de ficción, como las que describen armas biológicas mortales que se salen del control de sus creadores (Farenheit), o donde los mecanismos de herencia en los humanos son manipulados para producir niños genéticamente iguales (Los niños de Brasil), o se califica la capacidad de las personas con herramientas genéticas determinando su profesión (Mundo Feliz, GATACA).
Cuando eliminamos la ficción y nos restringimos al terreno de la ciencia, así como el de las aplicaciones tecnológicas que actualmente se realizan, podemos descubrir que este tema es un terreno fértil para la discusión formal de su impacto en nuestra sociedad, donde caben miles de preguntas que el humano no se había planteado anteriormente o bien que estaban en el terreno de la ficción. Tenemos entonces que ha surgido otra importantísima aplicación en el terreno filosófico, que es el análisis del impacto ético, moral y legal de la Biología Molecular.
Lo que es incuestionable, es que en la actualidad, esta disciplina está abriendo nuevas posibilidades para favorecer el bienestar y la seguridad de los humanos, además pronostica un poder científico de dimensiones aún mayores y de un potencial enorme. La Biología Molecular aplicada estrictamente en favor de la naturaleza, de la vida y de la humanidad, puede resultar en grandes beneficios, limitados sólo por la creatividad
