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ADN, genes y código genético

Del ADN a la biotecnología moderna  El conocimiento del ADN (ácido desoxirribonucleico), su estructura y función, fue determinante para el desarrollo de la biotecnología moderna. La estructura de doble hélice del ADN, que los investigadores James Watson y Francis Crick propusieran en 1953 proporcionó respuestas a muchas preguntas que se tenían sobre la herencia. Predijo la autorreplicación del material genético y la idea de que la información genética estaba contenida en la secuencia de las bases que conforman el ADN. Más aún, con el correr de los años y de las investigaciones, se pudo determinar que todos los seres vivos contienen un ADN similar, formado a partir de las mismas unidades: los nucleótidos. Este código genético mediante el cual se “escriben” las instrucciones celulares es común a todos los organismos. Es decir que el ADN de un ser humano puede ser “leído” dentro de una bacteria, y una planta puede interpretar la información genética de otra planta diferente.  A esta propiedad de la información genética se la conoce como “universalidad del código genético”.El código genético universal es uno de los conceptos básicos para comprender los procesos de la biotecnología moderna. Por ejemplo, la posibilidad de generar organismos transgénicos, y que las instrucciones del ADN de un organismo puedan determinar nuevas características en organismos totalmente diferentes. 

La función del ADN

El ADN tiene la función de “guardar información”. Es decir, contiene las instrucciones que determinan la forma y características de un organismo y sus funciones. Además, a través del ADN se transmiten esas características a los descendientes durante la reproducción, tanto sexual como asexual. Todas las células, procariotas y eucariotas, contienen ADN en sus células. En las células eucariotas el ADN está contenido dentro del núcleo celular, mientras que en las células procariotas, que no tienen un núcleo definido, el material genético está disperso en el citoplasma celular. 

La estructura del ADN  El ADN está organizado en cromosomas. En las células eucariotas los cromosomas son lineales, mientras que los organismos procariotas, como las bacterias, presentan cromosomas circulares. Para cada especie, el número de cromosomas es fijo. Por ejemplo, los seres humanos tienen 46 cromosomas en cada célula somática (no sexual), agrupados en 23 pares, de los cuales 22 son autosomas y un par es sexual. Una mujer tendrá un par de cromosomas sexuales XX y un varón tendrá un par XY. Cada cromosoma tiene dos brazos, ubicados por arriba y por debajo del centrómero. Cuando los cromosomas se duplican, previo a la división celular, cada cromosoma está formado por dos moléculas de ADN unidas por el centrómero, conocidas como cromátidas hermanas.

Esquema de un cromosoma duplicado

El ADN se compone de dos cadenas, cada una formada por nucleótidos. Cada nucleótido, a su vez, está compuesto por un azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son cuatro: adenina (A), timina (T), citosina (C), y guanina (G), y siempre una A se enfrenta a una T y una C se enfrenta a una G en la doble cadena. Las bases enfrentadas se dice que son complementarias. El ADN adopta una forma de doble hélice, como una escalera caracol donde los lados son cadenas de azúcares y fosfatos conectadas por “escalones”, que son las bases nitrogenadas. La molécula de ADN se asocia a proteínas, llamadas histonas, y se encuentra muy enrollada y compactada para formar el cromosoma. Esta asociación de ADN y proteínas se conoce como cromatina. La cromatina puede estar enrollada en mayor o menor grado, dependiendo de la etapa en que se encuentra la célula; por ejemplo, cuando el ADN se ha duplicado antes de que la célula se divida, la cromatina se compacta en su mayor grado, y como resultado se pueden visualizar los cromosomas duplicados al microscopio como corpúsculos con forma de X.

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La doble hélice de ADN con las bases nitrogenadas complementarias que se ubican hacia dentro y establecen uniones no covalentes (o fuerzas de atracción) entre sí que mantienen la estructura de la molécula. Las desoxirribosas (azúcares) y los grupos fosfato constituyen las columnas de la molécula.

FUENTE: http://www1.geneticsolutions.com/PageReq?id=1530:1873#Molecular%20Genetics

La imagen representa una célula eucariota en la cual se amplía un cromosoma, y se muestra la estructura del ADN que lo constituye. Un fragmento particular del ADN forma un gen que determina una característica particular. El ADN se forma a partir de la unión de nucleótidos, que pueden tener cuatro bases nitrogenadas diferentes: A, T, C, G.

Cuando la célula se divide, cada nueva célula que se forma debe portar toda la información genética, que determine sus características y funciones.  Para eso, antes de dividirse, el ADN debe replicarse, es decir generar una copia de sí mismo. Durante la replicación, la molécula de ADN se desenrolla, separando sus cadenas. Cada una de éstas servirá como molde para la síntesis de nuevas hebras de ADN. Para eso, la enzima ADN-polimerasa coloca nucleótidos siguiendo la regla de apareamiento A-T y C-G. El proceso de replicación del ADN es semiconservativo, ya que al finalizar la duplicación, cada nueva molécula de ADN estará conformada por una hebra “vieja” (original) y una nueva.

http://images.clinicaltools.com/images/gene/dnareplication.jpg      Replicación semiconservativa del ADN de una célula eucariota.  

¿Cómo se interpretan las instrucciones escritas en el ADN?La información está guardada en el ADN en el código de secuencia de bases A, T, C y G que se combinan para originar “palabras” denominadas genes. Los genes son fragmentos de ADN cuya secuencia nucleotídica codifica para una proteína. Es decir que a partir de la información “escrita” en ese fragmento de ADN se fabrica (sintetiza) un tipo particular de proteína. Aunque, en realidad, los genes también llevan la información necesaria para fabricar moléculas de ARN (ribosomal y de transferencia) que intervienen en el proceso de síntesis de proteínas. El ARN (ácido ribonucleico) es una molécula con una estructura similar al ADN.   Un gen no es una estructura que se vea sino que se define a nivel funcional. Es una secuencia que va a empezar en algún lugar del ADN y va a terminar en otro. Para conocer un gen se secuencia, se determina la cantidad de los nucleótidos que lo forman y el orden en que se ubican. Todas las células de un organismo tienen el mismo genoma, o conjunto de genes. Pero, en cada célula se expresan los genes que se usan. Por ejemplo, aunque una célula de la piel tiene toda la información genética al igual que la célula del hígado, en la piel solo se expresarán aquellos genes que den características de piel, mientras que los genes que dan características de hígado, estarán allí “apagados”. Por el contrario, los genes que dan rasgos de “hígado” estarán activos en el hígado e inactivos en la piel. Lo que no se usa se encuentra mayormente compactado. Este empaquetamiento puede ser temporal o definitivo. 

La síntesis de proteínas

Las proteínas son macromoléculas que cumplen funciones variadas. Hay proteínas estructurales, otras son enzimas, otras transportan oxígeno como la hemoglobina, hay proteínas involucradas en la defensa inmunitaria, como los anticuerpos, otras cumplen funciones de hormonas como la insulina, etc. Así como el ADN está compuesto a partir de nucleótidos, las proteínas están compuestas a partir de aminoácidos. Hay 20 aminoácidos diferentes, y cada proteína tiene una secuencia de aminoácidos particular.El proceso de síntesis de proteínas consta básicamente de dos etapas: la transcripción y la traducción.  En la primera etapa, las “palabras” (genes) escritas en el ADN en el lenguaje de los

nucleótidos se copian o transcriben a otra molécula, el ARN mensajero (ARNm). Luego, en la etapa siguiente, el ARNm se traduce al idioma de las proteínas, el de los aminoácidos. Este flujo de información se conoce como el “dogma central de la biología”.

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Proceso de síntesis de proteínas en una célula eucariota. La transcripción ocurre dentro del núcleo y la traducción en los ribosomas en el citoplasma.  

La transcripciónDurante la transcripción la enzima ARN polimerasa, copia la secuencia de una hebra del ADN y fabrica una molécula de ARN complementaria al fragmento de ADN transcripto. El proceso es similar a la replicación del ADN, pero la molécula nueva que se forma es de cadena simple y se denomina ARN. Se denomina ARN mensajero porque va a llevar la información del ADN hacia los ribosomas, las organelas encargadas de fabricar las proteínas. El ARN, o ácido ribonucleico, es similar al ADN aunque no igual.

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  Como muestra la imagen, el ARN se diferencia del ADN en que es de cadena simple, en lugar del azúcar desoxirribosa tiene ribosa, y en lugar de la base nitrogenada timina, (T), tiene uracilo (U).  

La traducción y el código genéticoLa molécula del ARN mensajero se traslada a los ribosomas donde ocurre la etapa de traducción. Durante esta etapa el ribosoma lee la secuencia de nucleótidos del ARN mensajero por tripletes o tríos de nucleótidos, denominados codones. A medida que el ribosoma lee la secuencia de codones va formando una proteína, a partir de la unión de aminoácidos. Según cuál es el codón que el ribosoma “lee” va colocando el aminoácido que corresponde. Si se considera la combinación de cuatro bases tomadas de a tres, existe un total de 64 codones posibles. Cada codón determina qué aminoácido se colocará en la proteína que se está fabricando. De los 64 codones, 61 corresponden a aminoácidos y 3 son codones de terminación (stop), responsables de la finalización de la síntesis proteica. La siguiente tabla es el código genético o “diccionario” que permite traducir la información escrita en el lenguaje de los ácidos nucleicos (nucleótidos) al lenguaje de las proteínas (aminoácidos), y es universal, o sea, es válido para todos los seres vivos.

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La tabla del código genético es universal y permite conocer a partir de la secuencia del ARN mensajero cómo será la secuencia de la proteína para la cual el gen correspondiente codifica. 

Así, la secuencia ATG (AUG en el ARNm) codifica para el aminoácido metionina, y el codón TTT (UUU en el ARNm) codifica para el aminoácido fenilalanina en todos los organismos vivos. Como sólo existen 20 aminoácidos en la naturaleza, varios codones pueden codificar para el mismo aminoácido (por ejemplo, al aminoácido glicina le corresponden los codones GGU, GGC, GGA y GGG).Cada codón del ARNm es leído por otro ARN, llamado ARN de transferencia (ARNt), que actúa como un “adaptador” entre la información que lleva el ARNm y los aminoácidos que deben ir colocándose para formar la proteína correspondiente. El ARNt es muy pequeño comparado con los ARNm y tiene una secuencia, denominada anticodón que aparea (es decir, es complementaria) con el codón. Cada ARN de transferencia tiene un anticodón y “carga” un aminoácido en particular. Por ejemplo, el ARNt que tiene el anticodón UCA, se aparea al codón AGU, y carga el

aminoácido serina (Ser). De la misma manera, el ARNt que carga tirosina (Tyr) se aparea, a través de su anticodón, con el codón UAC. Así se va formando una cadena polipeptídica (proteína) a medida que los anticodones de los ARNt reconocen sus respectivos codones en el ARNm. Este proceso de síntesis proteica ocurre en los ribosomas.

¿Qué son las mutaciones?

A veces, y este es un fenómeno relativamente frecuente, la enzima que se encarga de la replicación del ADN (ADN polimerasa) se equivoca, es decir, coloca un nucleótido en lugar de otro. Si, por ejemplo, la enzima ADN polimerasa coloca una T en lugar de una A podría ocurrir que al traducirse, se coloque en la proteína un aminoácido diferente del que correspondería. Por lo tanto, la proteína generada sería diferente en un aminoácido a la original. Este cambio en el ADN, llamado mutación, podría alterar o anular la función de la proteína. Este ejemplo ilustra el efecto de los cambios o mutaciones puntuales (debidos a un único cambio en la secuencia) en la proteína final. En algunos casos las mutaciones pasan inadvertidas, pero también pueden provocar la falta de actividad de una proteína esencial y causar una enfermedad. De todas formas, la mayoría de las mutaciones no se manifiestan, o porque están en regiones del ADN donde no hay genes, o porque no cambian el aminoácido, o porque ese cambio no altera la función de la proteína. O bien podría alterarse la función y esto no resultar perjudicial. Tal es el caso del carácter color de ojos, donde el color claro se produce por falta de ciertas enzimas que fabrican los pigmentos del iris. En realidad, las mutaciones son la base de la biodiversidad.  Es decir que las pequeñas diferencias en el ADN es lo que determina que los seres vivos sean diferentes entre sí. Esta diversidad en las características sumada a la existencia de un código genético común entre los seres vivos, son dos hechos determinantes en el desarrollo de la biotecnología moderna. 

El ADN y la biotecnología moderna

Cuando los científicos comprendieron la estructura de los genes y cómo la información que portaban se traducía en funciones o características, comenzaron a buscar la forma de aislarlos, analizarlos, modificarlos y hasta de transferirlos de un organismo a otro para conferirle una nueva característica. Justamente, de eso se trata la ingeniería genética, a la que podríamos definir como un conjunto de metodologías que nos permite transferir genes de un organismo a otro, y que dio impulso a la biotecnología moderna. La ingeniería genética permite clonar (multiplicar) fragmentos de ADN y expresar genes (producir las proteínas para las cuales estos genes codifican) en organismos diferentes al de origen. Así, es posible obtener proteínas de interés en organismos diferentes del original del cual se extrajo el gen, mejorar cultivos y animales, producir fármacos, y obtener proteínas que utilizan diferentes industrias en sus procesos de elaboración.

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Introducción a la Biotecnología Agrícola

La biotecnología agrícola se refiere a la aplicación de las técnicas de la ingeniería genética al mejoramiento de los cultivos, con el objetivo de generar beneficios para el productor

agropecuario, el consumidor, la industria, la salud animal y humana y el  medioambiente.

Entre sus aplicaciones se encuentran la obtención de plantas tolerantes a herbicidas, resistentes a insectos y enfermedades, así como plantas que pueden sobrevivir mejor en suelos salinos, a bajas temperaturas o en ambientes con lluvias escasas. También se incluye la obtención de alimentos más nutritivos o más saludables, frutos que resistan mejor al transporte y almacenamiento, así como plantas productoras de moléculas de uso farmacológico, biopolímeros o destinadas a la producción de lubricantes o biocombustibles. 

Las nuevas variedades vegetales obtenidas por ingeniería genética son los llamados cultivos transgénicos los cuales son compatibles con el manejo integrado de plagas y con la agricultura sustentable.

El uso de estas nuevas tecnologías permite aumentar la competitividad de países agroexportadores como la Argentina incrementando los rendimientos, disminuyendo los costos y aumentando la seguridad de la cosecha. Además, permite obtener alimentos de mayor calidad en forma más eficiente y segura para la salud y el medio ambiente.

¿Por qué producir cultivos transgénicos?

Diferentes análisis de expertos prevén para los próximos 30 años un incremento de la demanda mundial de alimentos de entre el doble y el triple de la actual, especialmente en países subdesarrollados. Esto conlleva otras consecuencias, como el crecimiento en la demanda de proteínas para alimentación animal, y mejoras cualitativas en los alimentos para resolver problemas nutricionales de importantes sectores de la población mundial. Para lograr estos incrementos y mejoras en la calidad alimentaria deberá plantearse una producción sustentable en términos de respeto por el medio ambiente y por la biodiversidad. Y, ante la limitación de recursos físicos, como el suelo, una de las variables disponibles para duplicar la productividad agrícola es el mejoramiento genético.El incremento de la eficacia productiva de los organismos puede encararse mediante el mejoramiento genético convencional (cruzamientos intra e interespecíficos, mutagénesis inducida) o mediante la transformación genética. En la actualidad el mejoramiento de plantas es un proceso multidisciplinario y coordinado, donde una gran número de herramientas y elementos de la mejora tradicional, bioinformática, biología molecular e ingeniería genética son utilizados e integrados. El mejoramiento genético convencional enfrenta algunas limitaciones, tanto en términos de la disponibilidad de germoplasma, como de los plazos requeridos para la obtención de nuevas variedades. Las técnicas de ingeniería genética se usan para mejorar o introducir nuevas características a los cultivos mediante intervenciones más precisas, rápidas y predictivas, cuando todas las otras técnicas de mejoramiento agotan sus posibilidades. Por ejemplo, la ingeniería genética se aplica cuando la característica a ser introducida no está presente en la especie de interés, o la característica es muy difícil de mejorar por métodos convencionales, o cuando la introducción o mejora de una característica pueda llevar mucho tiempo por métodos convencionales.Algunos de los cambios o mejoras realizadas a los cultivos resultan de la modificación de los genes ya presentes en la planta, o la supresión de ciertos genes. En otros casos, en cambio, se requiere de la transferencia de genes desde otras fuentes (por ejemplo desde diferentes especies). La posibilidad de superar la barrera de cruzamiento sexual mediante la ingeniería genética y transgénesis permite hacer uso de un pool genético más amplio, ya que es posible aislar genes de cualquier origen y transferirlos entre especies no emparentadas. Es también posible dirigir la expresión de estos nuevos genes a ciertas partes específicas de la planta (raíz, hoja) o en algún momento en particular o circunstancia del ciclo vital del organismo, como la floración. 

La biotecnología moderna, una alternativa sustentable

La intensificación agrícola ha acentuado los procesos de erosión y de degradación de los suelos, y el uso masivo de agroquímicos y fertilizantes ha contribuido a una creciente contaminación de tierras y de acuíferos. Además, la contribución del mejoramiento genético por métodos tradicionales de cruzamiento y selección, encuentra limitaciones ante las nuevas demandas. En consecuencia, se busca introducir tecnologías y métodos de manejo agronómico que incrementen la productividad sin agregar impactos negativos al medioambiente y que, incluso, resuelvan los impactos ya reconocidos. La biotecnología es una alternativa sustentable a las prácticas convencionales. En la actualidad, millones de hectáreas en todo el mundo se cultivan con métodos conservacionistas para reducir al mínimo el daño a las tierras. Con el paquete tecnológico “cultivo transgénico tolerante a herbicida - siembra directa” es posible evitar la degradación y erosión del suelo, por cuanto se reduce o elimina el desmalezado y roturación de la tierra (ver Cuaderno Nº 8, 60, 92) y se deja en los lotes el residuo de las cosechas formando una capa protectora con reciclado de materia orgánica al suelo.Otro problema existente en la agricultura es la causada por la escarcha y las sequías o inundaciones que pueden arrasar los cultivos. La biotecnología puede proporcionar cultivos con una mayor resistencia a las variaciones climáticas naturales y disminuir la dependencia de la gestión de los recursos hídricos, desarrollando variedades resistentes a estrés hídrico. También, es posible aumentar la capacidad de las plantas de soportar un descenso de la temperatura y la escarcha.Los insectos plaga y las enfermedades de las plantas que atentan contra la producción agrícola exigen una alternativa a los tratamientos químicos que sean menos perjudiciales para los recursos naturales. Los cultivos transgénicos pueden disminuir potencialmente la necesidad de plaguicidas y herbicidas para controlar plagas, malezas y enfermedades y permitir una aplicación más selectiva de los productos químicos agrícolas. Por ejemplo, los cultivos transgénicos BT comercializados hace ya varios años (ver cuaderno Nº 18, 26, 43) pueden resistir los ataques de los insectos por sí mismos.Expertos de todo el mundo estiman que las innovaciones biotecnológicas triplicarán los rindes de los granos sin requerir más tierra cultivada.

Cultivos genéticamente modificados y sus beneficios para el consumidor 

La biotecnología ofrece los medios para producir alimentos más nutritivos y de mejor gusto, mayor rendimiento de las cosechas y plantas protegidas naturalmente de enfermedades e insectos. Si bien con la primera generación de productos biotecnológicos en el mercado, caracterizados por mejoras agronómicas (mayor rendimiento, resistencia a insectos, etc.), los beneficios han sido capitalizados principalmente por los productores, el consumidor se beneficia en el sentido de que estas variedades ofrecen el potencial de reducir el empleo de agroquímicos. Y, por supuesto, si se reduce el empleo de fitosanitarios, menor será la contaminación ambiental, y la exposición animal y humana a los químicos.La siguiente generación de productos transgénicos, está orientada a explotar otros nichos económicos y promete beneficios más directos para la nutrición y salud animal y humana. Estos nuevos cultivos en desarrollo, podrán presentar modificaciones que mejoren o complementen su calidad alimentaria y modificaciones que les permitan producir compuestos con diversos fines industriales que mejoren la calidad de vida. Ejemplos de modificaciones para mejorar el valor nutritivo de las plantas son aquellas que optimizan el balance de aminoácidos esenciales que deben ser provistos por la dieta porque el organismo es incapaz de sintetizarlos, o la composición de determinados micronutrientes, por ejemplo, la concentración de hierro. También es posible

modificar rutas metabólicas con la finalidad de producir lípidos o carbohidratos de estructuras especiales, destinados a aplicaciones industriales o alimentarias específicas (por ejemplo, aceites con distintas composiciones de ácidos grasos o almidones de distinta composición). Por último, también es posible implantar nuevas rutas metabólicas para la síntesis de factores nutritivos no proteicos como vitaminas A o E, que no están normalmente presentes en las plantas.Un ejemplo de beneficio para el consumidor es el arroz dorado, el cual podrá ayudar a combatir la deficiencia de vitamina A en países subdesarrollados proveyendo betacaroteno, precursor de la vitamina A, y hierro (ver Cuaderno Nº 23, 91). Otros ejemplos en desarrollo son las papas que absorben menor cantidad de aceite, y alimentos hipoalergénicos (por ejemplo, maní y soja libres de componentes alergénicos naturales). 

Cultivos genéticamente modificados y posibilidades para la industria

La ingeniería genética hace posible la utilización de las plantas para producir moléculas de uso industrial (molecular farming, producción de moléculas en la granja) que antes debían extraerse de otros organismos u obtenerse mediante fermentación microbiana. Dentro de estas aplicaciones se incluye la producción de sustancias de interés farmacológico o para la elaboración de lubricantes y plásticos biodegradables.También se trabaja en las rutas de síntesis de lignina (polímero que al combinarse con la celulosa da rigidez a la madera) para obtener distintas calidades de madera en los árboles, o la alteración de la síntesis de determinados pigmentos para uso textil, cosmética, pinturas, etc.Finalmente el mejoramiento de plantas para su utilización como materia prima renovable para la producción de biocombustibles (bioetanol, biodiesel, biogás) constituye una necesidad mundial y en esto la ingeniería genética presenta un enorme potencial (ver Cuadernos Nº 58 y 66).

La seguridad de uso y consumo de lo cultivos transgénicos

Pocas tecnologías en la historia de la humanidad han sido introducidas con marcos regulatorios tan estrictos como la biotecnología moderna (ver Cuaderno Nº 19). Las variedades transgénicas son testeadas rigurosamente antes de ser introducidos en el mercado, en lo que respecta a seguridad ambiental y aptitud de los nuevos cultivos para el consumo humano y animal en lo que se refiere a composición sustancial, calidad nutricional y presencia de toxinas o alérgenos. El proceso de análisis ha sido seguido regularmente por la comunidad científica internacional y ha sido motivo de un intenso debate público. Puede afirmarse que ningún otro tipo de cultivo (de mejoramiento clásico) ha sido sometido a evaluaciones tan rigurosas como los transgénicos, aún cuando hay casos en que pudiera presumirse que éstos involucran mayores riesgos para la salud humana. Millones de personas vienen consumiendo en todo el mundo plantas transgénicas y sus derivados (aceite, harina, almidón, etc.) desde hace más de una década sin que se haya reportado evidencia científica alguna que sugiera que los alimentos derivados de cultivos genéticamente modificados sean más riesgosos para la salud humana que el resto de los alimentos.

Biotecnología agrícola: conclusiones finales

En resumen, los retos de la biotecnología agrícola residen en aumentar la productividad en simultáneo con la reducción de los costos, generar innovaciones para la industria y mejoras en la calidad de vida, por ejemplo con alimentos de mayor calidad y más saludables, y conducir a prácticas de cultivo más “ecológicas”. Todas estas innovaciones generan una enorme diversidad de nichos productivos, y proporcionan valor agregado a la producción agrícola. Se está produciendo así la transición desde una agricultura basada exclusivamente en la producción de productos 

primarios (conocidos como commodities) hacia una agricultura de productos elaborados con fines específicos o valor agregado (specialities).La biotecnología puede y debe jugar un rol importante en el desarrollo de nuevos productos agrícolas, pero otros factores, incluyendo tecnologías de fitomejoramiento tradicionales y de las infraestructuras agrícolo-ganaderas no serán menos importantes.

Las aplicaciones biotecnológicas a la agricultura encierran grandes promesas. Por una parte, se asume que el mejoramiento de los cultivos mediante técnicas de biología molecular conducirá a una mayor producción y generación de nuevos nichos económicos. Los descensos de costos de producción están hoy principalmente asociados a la menor utilización de herbicidas y plaguicidas, aunque en desarrollos futuros también podrían involucrar una mejor asimilación de los fertilizantes. Asimismo, la introducción de tecnologías más benignas para el medio ambiente es un requerimiento urgente de lo cual dependerá la sustentabilidad futura de los sistemas productivos.La satisfacción de la futura demanda de alimentos, tanto desde el punto de vista cuantitativo como cualitativo, es un problema muy complejo que demandará la utilización de todos los instrumentos disponibles para su resolución, incluyendo tecnologías convencionales y de última generación cono la ingeniería genética, genómica, y la bioinformática, entre otras. Argentina es un país que depende de sus exportaciones agropecuarias. Diferentes análisis económicos revelan que, pese a los esfuerzos y apoyos a otras ramas industriales, por su competitividad natural el sector de agroalimentos y bebidas es, y seguirá siendo, el gran motor de la economía argentina (ver enwww.argenbio.org el link Cultivos aprobados y adopción en Argentina). En tal sentido la competencia con otros países exportadores es muy alta. Estos países exportadores son los que ya hoy tienen plantas transgénicas y compiten con ellas por los mercados mundiales. La tecnología, es una herramienta genuina de competitividad y la biotecnología es una herramienta clave para poder competir (ver en www.argenbio.org los links: Distribución por cultivo y característica y Distribución por país).

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La genética y su relación con la biotecnología

El desarrollo de la biotecnología moderna, entendida como el conjunto de técnicas de ADN recombinante que pueden aplicarse para obtener un producto o beneficio para el hombre, fue posible por el avance que se produjo en el conocimiento de la genética en el siglo XX. Cuando se habla de vacunas de nueva generación, de enzimas recombinantes o de cultivos transgénicos, se trata de productos en los cuales se ha utilizado la información genética de los organismos para diseñar el producto final. Por esto, se considera a la genética como una de las ciencias básicas sobre las que se asientan los desarrollos biotecnológicos. La genética es, básicamente, el estudio de los genes, la herencia y sus mecanismos (ver Cuadernos Nº 3 y 32). La genética fue utilizada empíricamente a lo largo de la historia para obtener mejores especies animales y vegetales que respondieran a los intereses humanos. Estas aplicaciones dejaron de ser empíricas a partir del desarrollo de las Leyes de Mendel, a fines del siglo XIX, y de su redescubrimiento a principios del siglo XX (ver Cuadernos Nº 40, 41). Durante la segunda mitad del siglo XX se avanzó en la base biológica y molecular de los mecanismos de la herencia, con la asociación de los cromosomas con la información genética, y con el advenimiento de la biología molecular luego del descubrimiento de la estructura del ADN

por Watson y Crick en la década de 1950 (ver Cuaderno Nº 65). Dos décadas más tarde, la genética clásica y molecular dieron lugar a la ingeniería genética (ver Cuaderno Nº 4), cuando se logró obtener construcciones de ADN recombinante usando principalmente enzimas de restricción y ligasas (ver Cuaderno Nº 30 y 34). Así, en la biotecnología moderna están presentes la genética clásica, la citogenética, la genética molecular, la genética de poblaciones y la ingeniería genética, entre otras (ver Cuadernos Nº 40, 41, 67). El paso desde las construcciones genéticas a la aparición del primer producto biotecnológico en el mercado en la década de 1980, fue posible por la asociación de científicos y empresarios, que entendieron a la ciencia como un bien común sobre el cual se basa una sociedad para progresar. 

La genética clásica: de Mendel a la biotecnología

La genética clásica se refiere al estudio de la herencia de los caracteres, y fue aplicada empíricamente desde los inicios de la agricultura y la ganadería al seleccionar los individuos de mejores características para que se reprodujeran y dejaran descendencia similar a ellos. En esas prácticas siempre estuvo, intuitiva y empíricamente, el concepto de herencia. La idea de la herencia, aún cuando no se conocía exactamente el mecanismo subyacente, permitía explicar los rasgos fisonómicos de los clanes familiares, como el labio prominente de los Habsburgo (dinastía que gobernó desde el siglo XIV y durante 300 años en territorios austríacos). Así, el hecho de que las características morfológicas se pasaran de padres a hijos era ampliamente aceptado. Paradójicamente, las teorías reinantes en esa época hablaban de “generación espontánea” para el origen de los organismos, y de la “herencia por mezcla” para explicar por qué los hijos tenían características de ambos progenitores. Pero, ninguna de estas teorías pudo sostenerse ante la evidencia obtenida por científicos del siglo XIX, como Luis Pasteur y Gregor Mendel.

La genética mendeliana

La genética mendeliana se considera parte de la genética clásica, y se refiere a la aplicación de las Leyes de Mendel para estudiar patrones de herencia (ver Cuadernos 40 y 41). Estas leyes establecen que la herencia de caracteres está dada por “factores concretos”, ya que acorde a las observaciones de Mendel, eran repartidos en proporciones matemáticas como unidades enteras a la descendencia. A partir de los conocimientos adquiridos desde entonces, se interpreta que la primera ley permite asociar un cierto carácter fenotípico a un gen, y la segunda ley permite indicar si dos características están codificadas por dos genes independientes. Estas leyes también sentaron las bases para explicar otros fenómenos genéticos (codominancia, dominancia incompleta, recombinación genética, etc.). 

Genética mendeliana y biotecnología  

La genética mendeliana se aplica en la actualidad al realizar proyectos de biotecnología. Por ejemplo, antes de poner en práctica las técnicas de biología molecular para clonar un gen (ver Cuaderno Nº 67), se debe saber si la característica biológica que se quiere buscar está codificada por un solo gen. Para verificarlo, se parte de progenitores con caracteres contrastantes (por ejemplo, resistentes y susceptibles a un patógeno) y se analiza la proporción de descendientes en las dos generaciones siguientes (F1 y F2) de modo tal que si cumple la primera Ley de Mendel, se puede determinar que existe un gen para la característica de interés. También se aplica esta misma ley para resolver cruzamientos de prueba, cuando se quiere conocer el genotipo de un individuo para un gen dado, o cuando se quiere saber cuál de las formas de una característica es la dominante y cuál la recesiva. También se aplica genética mendeliana cuando se quiere saber si dos características están codificadas por genes independientes entre sí, para lo cual se realizan cruzamientos llamados dihíbridos (ver Cuaderno Nº 41). Además de estas aplicaciones de genética mendeliana a priori de un proyecto biotecnológico, se deben realizar análisis genéticos luego de

obtener una planta o animal transgénico, de modo de demostrar si el transgén insertado sigue un patrón de herencia estable tipo mendeliano, acorde con lo demandado por los organismos reguladores de biotecnología en los distintos países (ver Cuaderno Nº 62).

Citogenética y la teoría cromosómica de la herenciaPosterior a Mendel, los científicos se dieron cuenta de que los patrones hereditarios que el monje austriaco había descrito eran comparables al comportamiento de los cromosomas en las células en división, y sugirieron que las unidades mendelianas de la herencia, se localizaban en los cromosomas, lo que constituye el concepto central de la teoría cromosómica de la herencia. Esta teoría asocia los genes (o “factores” de Mendel) con una estructura física dentro de la célula, los cromosomas, y reconoce que los genes son parte de los cromosomas. Este concepto no es nuevo hoy en día, pero fue un hito cuando se formuló a principios del siglo XX, y tuvo profundas implicancias en la citogenética, la rama de la ciencia que estudia los cromosomas y su comportamiento durante el ciclo celular. Es decir que esta teoría permitió correlacionar los resultados de los cruzamientos empíricos con el comportamiento de los cromosomas que se observaban en las células.    El proceso celular que permitió correlacionar los cromosomas con los genes fue la meiosis, es decir la división celular por la cual se generan las gametas. Fueron dos investigadores, Walter Sutton (EE.UU) y Theodor Boveri (Alemania), que en forma independiente llegaron a la misma conclusión en 1902. Reconocieron que el comportamiento de los “factores” de Mendel durante la producción de las gametas se correspondía precisamente con el comportamiento de los cromosomas en la meiosis:

• los genes se encuentran en pares al igual que los cromosomas;

• los alelos (o variantes de un gen dado) segregan igualitariamente en las gametas (al igual que los  miembros  de un par de cromosomas homólogos);

• genes diferentes actúan independientemente (al igual que pares cromosómicos distintos).

Citogenética y biotecnología

La citogenética es parte esencial de los estudios genéticos actualmente, con importantes aplicaciones en la genética médica, en la genética evolutiva y en la genética aplicada al mejoramiento animal y vegetal. Normalmente se asocia citogenética con el cariotipo (el ordenamiento de los cromosomas según su tamaño construido a partir de imágenes del material

genético teñido y fotografiado).

Cariotipo humano femenino (superior) y masculino (inferior). Se observa un total de 23 pares de cromosomas en cada cariotipo compuesto de 22 pares de autosomas y el par de cromosomas sexuales femeninos XX, y los cromosomas sexuales masculinos XY.

Esa fue la primera aplicación de la citogenética para clasificar los cromosomas de cada especie y asociar ciertas enfermedades o características de interés con algunos cromosomas en particular o con regiones dentro de los brazos de los cromosomas. Así se obtuvieron los primeros mapas físicos del genoma de las especies, que permiten ubicar en el genoma cierto gen responsable de un cierto fenotipo. Hoy en día, con el desarrollo de técnicas de fluorescencia aplicadas a la citogenética, se puede saber en qué cromosoma y en qué región específicamente se ubica una secuencia genética de interés. Por ejemplo, si se desea conocer dónde se integró un transgén al realizar una planta o animal transgénico, como se muestra en la figura:

Mediante citogenética aplicada al mapeo físico, se puede ubicar el sitio de inserción de un transgén (en amarillo). Fuente:http://www.seedna.com/transgene.html

La genética molecular: de Watson y Crick a la biotecnología 

Los estudios de genética clásica durante la primera mitad del siglo XX continuaron analizando otros patrones de herencia, como aquellos ligados a los cromosomas sexuales, entre otros fenómenos. Por su parte, los químicos y físicos trataron de dilucidar la estructura y naturaleza físico-química de las moléculas involucradas en la herencia. Así se estudió la estructura y composición química de los cromosomas, y se concluyó que estaban compuestos por asociación de ácido desoxirribonucleico (ADN) y proteínas (histonas). Al mismo tiempo, los microbiólogos estudiaban cómo los virus que infectan bacterias se pasan información genética entre ellos. Todas estas líneas de investigación tuvieron como nexo y punto de inflexión el descubrimiento de la estructura del ADN en 1953 por James Watson y Francis Crick, quienes abrieron el camino al estudio de la estructura de los genes y los mecanismos por los cuales estos genes se replican y se transmiten a las células hijas (ver Cuaderno Nº 3 y 32). El estudio de los genes a nivel molecular y los mecanismos de herencia por medio de herramientas de biología molecular se denomina genética molecular (ver Cuaderno Nº 67). La genética molecular incluye, por ejemplo, estudiar qué genes de una bacteria están involucrados en su capacidad de ser patógena, o cuáles son las rutas genéticas para la síntesis de una cierta sustancia en un organismo, o realizar un mapa genético para una cierta especie en el cual se indiquen distancias entre pares de bases dentro de un cromosoma, entre otras posibilidades. 

Genética molecular y biotecnología

La genética molecular permite conocer los genes involucrados en distintos procesos celulares. La comprensión de estos procesos puede resultar de interés para su aplicación industrial o agrícola. La investigación de genética molecular es el primer paso, que permite caracterizar molecular y funcionalmente a esos genes, y que luego continuará con una línea de producción industrial. En la actualidad, los genes de interés pasan previamente por una serie de “retoques” mediante ingeniería genética para hacer más eficiente el proceso industrial o agrícola. Este es el caso de los “biofármacos” como la insulina humana, algunos factores de coagulación, la vacuna contra la hepatitis B, etc. (ver Cuadernos Nº 47 y 71); los cultivos transgénicos ornamentales, en los cuales se aplicó el conocimiento de genética molecular del desarrollo floral para modificar la morfología de las plantas (ver Cuaderno Nº 72), etc. Otra importante aplicación de la genética molecular en temas de biotecnología es el desarrollo de mapas genéticos de especies, los cuales facilitan luego los programas de mejoramiento tradicional (por cruzamientos), a esto se lo denomina Mejoramiento asistido por marcadores moleculares o MAS (del inglés Marker assisted selection). 

Ingeniería Genética 

Esta rama de la genética se podría definir como la aplicación de las herramientas de la biología molecular para la construcción de fragmentos de ADN recombinantes con genes de interés y la inserción de los mismos en otros organismos. Así, el uso de las enzimas de restricción (ver Cuaderno Nº 4, 34 y 67) y las ligasas se utilizan para insertar un gen de interés detrás de un promotor y dentro de un vector adecuados para el organismo donde se quiere insertar el gen. La ingeniería genética se utiliza como herramienta de laboratorio para estudios de genética molecular básica como investigar la función y el mecanismo de acción de un gen particular, como así también se usa de herramienta para los desarrollos biotecnológicos. 

Ingeniería genética y biotecnología

Siempre que se habla de biotecnología moderna o de ADN recombinante se hace referencia a la ingeniería genética, ya que esta disciplina provee las técnicas y herramientas para el desarrollo de la construcción de ADN de interés industrial. Así, por ejemplo, todas las enzimas producidas en forma recombinante (ver Cuadernos Nº 49, 54 y 73), los fármacos y las vacunas recombinantes

(Cuadernos Nº 21, 51 y71), las plantas transgénicas (ver Cuadernos Nº 2, 18, 28, entre otros) y los animales transgénicos (Cuadernos Nº 9 y 47) son productos biotecnológicos donde la ingeniería genética fue una herramienta fundamental para su desarrollo. Otros ejemplos son el gen de la insulina humana con un promotor bacteriano para que la hormona se produzca en bacterias, el gen de tolerancia al herbicida glifosato (gen epsps) con un promotor vegetal para que funcione en la soja, maíz y algodón transgénicos (variedades RR, ver Cuadernos Nº 43 y 44), el gen de la hormona de crecimiento humano con un promotor de glándula mamaria bovina para que la hormona se produzca en la leche de la vaca (ver Cuaderno Nº 47), etc.El desarrollo de la biotecnología moderna está íntimamente ligado con todas las ramas de la genética desde sus inicios. Desde el poder entender cuáles son las unidades responsables de transmitir la herencia, hasta el poder transformarlas para el mejor aprovechamiento por el hombre.