Biologia molecular en la medicina

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  • 1. ÍNDICE PÁGINACapítulo 1 Historia De La Biología Molecular1 Historia De La Biología Molecular…………………………………..…………..….…1-2Capítulo 2 Historia De La Biotecnología Y Sus Aplicaciones2 Historia De La Biotecnología………………………………………………………....…2-42.1 Aplicaciones De La Biotecnología 2.1.1 Sector Alimenticio…………………………………………………………………..5 2.1.2 Sector Agropecuario…………………………………………………………….….5 2.1.3 Sector Pecuario………………………………………………………………….…..6 2.1.4 Sector Salud…………………………………………………………………….…...6 2.1.5 Vacunas……………………………………………………………………………...6-7 2.1.6 Farmacogenómica………………………………………………………………..….7 2.1.7 Aplicaciones Terapéuticas…………………………………………………….…...7 2.1.8 Proyecto Genoma Humano……………………………………………………...…7 2.1.9 Terapia Génica…………………………………………………………………..…..8 2.1.10 Campo De La Biorremediación…………………………………………….……..8-9Capítulo 3 Aplicaciones De La Biología Molecular En Medicina3 Aplicaciones De La Biología Molecular En Medicina…………………….…………9-113.1 Áreas De Aplicación 3.1.1 Medicina Genómica…………………………………………………...…….…..11-12 3.1.2 Farmacogenómica………………………………………………………..….…...12 3.1.3 Medicina Molecular Y Patogenia………………………………………………12-13 3.1.4 Diagnostico Molecular…………………………………..…………………..…..13-14 3.1.5 Terapia Génica……………………………………………………………..…......14-17
  • 2. 3.1.6 Medicina De ARN….…………………………………………………………..17-20 3.1.7 Ingeniería De Proteínas………………………………………………………..20-22Capítulo 4 Conclusiones4 Conclusiones Científicas……………………………………………………………....22-244.1 Conclusiones Del Autor……………………………………………………………...24Capítulo 5 Referencias5 Referencias Consultadas………………………………………………………………25
  • 3. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas INTRODUCCIONHistoria de la biología molecular La biología molecular nace formalmente en1953, con la publicación del modelo estructural delácido desoxirribonucleico ADN o, de manerauniversal, DNA por sus siglas en inglés propuestopor James Watson, Maurice Wilkins, RosalindFranklin y Francis Crick. En ese entonces también sefraguaba, de manera por demás importante, elconcepto de que la biología obedecía a fenómenos Fig. 1 Watson y Crick con su modelo del ADN.físicos y químicos cuantificables; esto es, que labiología no era meramente una disciplina descriptiva sino también cuantitativa. Es así que el inicio de la biología molecular fue influido en gran medida por losfísicos, destacando Max Delbruck, quien se dedicó a la genética después de unatrayectoria en la física teórica y quien estimuló a otro físico, Erwin Schrodinger, aescribir su importante libro ¿Qué es la vida? La biología molecular nace, asimismo, de la bioquímica. El desarrollo de la genética moderna, que se inició a principios del siglo xx con el reconocimiento de los trabajos de Gregor Mendel sobre la herencia, realizados varias décadas atrás, y continuado en los bacteriófagos o virus que infectan a las bacterias y en la mosca de la fruta, dio paso a nuevas preguntas sobre losFig. 2 Gregor Mendel experimentócon chicharos, teniendo las primeras mecanismos que controlan las características observablesnociones sobre herencia genética. de los seres vivos, o sea, el fenotipo. Página | 1
  • 4. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Después de una serie de experimentos iniciales, se determinó que el DNA es el portador de la información que controla el fenotipo: es la sustancia química que conforma a los genes o unidades indivisibles de la herencia; esto es, el DNA constituye el genotipo. Fue entonces de importancia caracterizar química y físicamente al DNA. En esencia, la biología molecular busca entender la vida a través de los complejos mecanismos por los cuales el DNA codifica y expresa las proteínas apropiadas, en las cantidades apropiadas, en los tipos celulares apropiados que determinan un fenotipo. Esta visión ha incluido posteriormente el mejor entendimiento de la estructura de las proteínas, del DNA, y de los ácidos ribonucleicos (ARN o RNA) y de su interacción con otras moléculas, ya sean proteínas, RNA, o DNA, todo lo cual también determina los diferentes fenotipos. En ocasiones, se confunde el hecho de utilizar herramientas experimentales de la biología molecular con realizar biología molecular en toda la extensión de la palabra. La biología molecular provee una visión sobre cómo conceptualizar un fenómeno biológico, y esta visión ahora se ha extendido al estudio no sólo de genes individuales, sino a la mejor comprensión de la organización de todo el conjunto de genes de un organismo o genoma, al estudio de sus variaciones, y a las interacciones entre todos los componentes del genoma. En la actualidad, la biología molecular es de importancia central para el mejor entendimiento de las interacciones que ocurren en poblaciones de organismos, ya sea entre ellos o con el ambiente que les rodea, o ambos. Historia de la Biotecnología y sus Aplicaciones La Biotecnología es sin duda, una de las áreas tecnológicas clave en el desarrollo industrial contemporáneo. El término biotecnología es considerado como el conjunto de técnicas que utilizan organismos vivientes o sustancias provenientes de éstos para elaborar o modificar un producto, mejorar plantas o animales, o para desarrollar microorganismos para usos específicos1. De acuerdo con el especialista Pierre Douzou1 Morris, M.S.1989.Historia de la biotecnología. Ciencia y desarrollo. Página | 2
  • 5. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecassepara a la biotecnología en tres etapas: la primera la considera empírica y es cuando labiotecnología nace con el establecimiento de las sociedades humanas y su necesidad dedesarrollar organismos que le permitieran mantener asegurada la alimentación, laindustria y lograr su expansión territorial. Una segunda etapa importante referida como la de transición se presenta con laintervención de la Ciencia y la Técnica en el desarrollo de industrias biotecnológicas quecontribuyen al desarrollo de los grandes imperios. Y la tercer etapa se da con elnacimiento de la biotecnología moderna se da con la conjunción de dos situacionesrelevantes: la primera, es la aparición de la biología molecular, disciplina que permitiódescifrar en los años cincuenta la estructura del DNA, material genético de los seresvivos y los genes que lo conforman, así como de los mecanismos para traducir lainformación genética que se localiza en el DNA, en proteínas. Este conjunto deconocimientos permite hoy en día, tener una precisa imagen a nivel subcelular delfuncionamiento de la célula viva. La segunda situación de la biología molecular es laconcientización de que la ciencia se transforma a un tipo de actividad mucho másmultidisciplinaria dándose la convergencia de varias estrategias, conocimientos yherramientas, vislumbrando el éxito para solucionar problemas científicos y sociales. Todo el conocimiento de frontera que genera la biotecnología moderna se basa enlos esfuerzos de la biología molecular, bioquímica, ingeniería bioquímica, biologíacelular, microbiología, inmunología, genética, etcétera, permitiendo el estudio integral yla manipulación genética de los sistemas biológicos (microorganismos, plantas,animales, hombre, entre otros), y a través de ello la utilización inteligente y respetuosade la biodiversidad para permitir el desarrollo de tecnología eficiente, limpia ycompetitiva que, a su vez, facilite la solución de problemas importantes, en campos talescomo el de la salud, agropecuario, industrial, y tratamiento de la contaminaciónambiental, a través de diseñar, ejecutar y evaluar programas para guiar la acciónhumana hacia la conservación y el uso sustentable de la biodiversidad. Página | 3
  • 6. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Diversas organizaciones mundiales como la ONU, y la OCDE, expresan desde la década de los 80 los riesgos implícitos y las condiciones al acceso, manejo y transferencia de los recursos genéticos. Por lo que a través de diversas reuniones han planteado las políticas, estrategias y programas para orientar el manejo de los recursos genéticos. La industrialización, en mayor o menor medida, contribuye a la contaminación y destrucción de los ecosistemas y así todos los días varias especies de seres vivos desaparecen de nuestro planeta produciendo mayores ganancias económicas para unos cuantos lo que repercute en una discriminación económica entre los países. En el ámbito mundial existe la preocupación por el acceso racional a estos recursos. Por otro lado, el crecimiento de la población humana requiere aumentar día con día la producción de alimentos, así como la demanda de salud, vivienda y energéticos. La contradicción es que, para satisfacer estas necesidades y requerimientos se necesita consolidar y modernizar la industria y la producción agropecuaria. De lo anterior se desprende la importancia que tiene el reforzar el desarrollo de la biotecnología moderna como componente de una estrategia y alternativa respetuosa e inteligente hacia la naturaleza y así propiciar simultáneamente el uso, la preservación y la recuperación de los ecosistemas de nuestro planeta2. Por tanto, queda claro que tanto en nuestro país como en el mundo entero hay una gran demanda de tecnología adecuada para resolver problemas relevantes en los sectores mencionados, por lo tanto, para el desarrollo de la biotecnología moderna es importante consolidar grupos de investigación científica de frontera para la generación de tecnología, tanto en la industria como en las universidades y otras instituciones de investigación superior. En el desarrollo de la biotecnología moderna es importante consolidar grupos de investigación científica de frontera para la generación de tecnología, tanto en la industria como en las universidades y otras instituciones de investigación superior.2 Soberón, X. et al .1998.Biotecnología moderna en México: áreas estratégicas. Obra Científica. Trabajos Página | 4seleccionados de divulgación científica. Tomo III.
  • 7. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Existen diferentes campos de aplicación de la biotecnología, estos campos seaplican en casi todos los sectores productivos de uso y consumo humano.Sector alimenticio En el sector moderno destaca la producción de colorantes, gomas (gelificantes),potenciadores del sabor, saborizantes y aromatizantes, acidulantes (ácido cítrico),enzimas como aditivos, etcétera. En el sector de edulcorantes, la proteína dulce“taumatina”, extraída de una fruta africana, ha sido expresada ya en variosmicroorganismos, y están en desarrollo otros edulcorantes de naturaleza proteica. Pero los microorganismos no sólo contribuyen a la conservación de los alimentoso darles sabor, los propios microorganismos son comestibles, se trata de la proteínaunicelular consumida como alimento por humanos y es producida por el hongoFusarium, que contiene el 45% de proteínas y 13% de grasas y es elaborada por laempresa inglesa Rank Horis McDougall.Sector Agropecuario La domesticación de plantas para uso agrícola fue un proceso de largo plazo quetuvo profundas consecuencias evolutivas en muchas especies. Actualmente labiotecnología moderna ofrece sistemas radicalmente novedosos para alterar o modificarlas propiedades genéticas de los organismos en una forma totalmente dirigida. Latecnología de modificación genética nació en la década de los70 y uno de sus avancesmás notorios, fue la creación de nuevas variedades de plantas agrícolas transgénicas. También este enfoque hace posible el mejoramiento genético de plantasresistentes a enfermedades, insectos y a condiciones ambientales adversas (sequía,heladas, etcétera) y, además se puede reducir el uso de agroquímicos, fertilizantes ypesticidas. Gracias a los avances de la biotecnología moderna y junto con lasinvestigaciones agropecuarias “tradicionales” se han identificado genes que sonimportantes para la agricultura, el desarrollo de técnicas para el cultivo de células,regeneración de plantas y manejo de embriones. Página | 5
  • 8. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasSector pecuario La biotecnología moderna ha contribuido a la generación de animales con uncrecimiento más acelerado (incremento del tamaño en peces) o producción de leche(vacas) y en la calidad de la carne (cerdos). Esto se ha logrado a través de la utilizaciónde hormonas para crecimiento en el ganado. Animales transgénicos: el primer animal transgénico que se patentó fue el“Harvard Mouse”, el cual es muy susceptible al cáncer y es utilizado para estudios desustancias potencialmente carcinógenas y para estudios fundamentales del cáncer,también se han obtenido animales transgénicos que sean tolerantes a enfermedadesvirales por expresar proteínas virales que les permitan una protección cruzada.Sector Salud Cualquiera que haya sido el curso de la historia, la biotecnología nació comoindustria ante la presión de la demanda de antibióticos durante la segunda guerramundial (Merck, Pfizer y Squibb). A partir de entonces se diseñaron estrategias paramejorar genéticamente las cepas microbianas industriales para que hoy en día sepuedan obtener una gran variedad de compuestos terapéuticos como: aminoácidos,vitaminas, vacunas, etcétera. se considera que en el sector salud es donde se ubican losimpactos más importantes de la aplicación de la ingeniería genética.Vacunas Las nuevas vacunas de ADN o ARN emergen como una vía importante deterapia por las posibilidades de inmunización que ofrecen contra “ciertas enfermedades.Las vacunas genéticas o de ADN son totalmente diferentes de las tradicionales en suestructura. Las más estudiadas son los plásmidos, es decir, pequeños anillos de ADNproveniente de una bacteria. Los plásmidos usados para vacunar han sido alteradospara portar genes específicos de uno o más antígenos, proteínas fabricadas por losagentes patógenos y que tienen la capacidad de “despertar” al sistema inmunitario denuestro organismo, con una gran ventaja: gracias a su manipulación, han perdido los Página | 6
  • 9. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas genes donde se halla la información que produce la enfermedad, es decir, preparan al organismo para dar la batalla contra la posible invasión. Farmacogenómica La identificación y estudio de nuevos genes, que podrían ser blancos terapéuticos, y su asociación con diferencias en la respuesta a distintos fármacos, harán más eficientes las estrategias terapéuticas actuales y permitirán el desarrollo de fármacos más efectivos y con menos efectos adversos. Aplicaciones Terapéuticas Las técnicas de ingeniería genética han permitido en los últimos 20 años el aislamiento y caracterización de genes de diferentes organismos, en 1980 se consideraba que la estructura de los genes era completamente colineal con la estructura proteica para la cual codificaba. Sin embargo, se ha demostrado claramente, que muchos de los genes de organismos superiores, incluyendo el hombre, están interrumpidos. Con toda la información que se ha generado y gracias a la sofisticación permanente de las técnicas de DNA recombinante, en particular con la aparición de técnicas poderosas en la amplificación de DNA tales como la técnica de PCR o reacción en cadena de polimerasa de DNA, y los vehículos moleculares que permiten la movilización de pedazos de ADN de una célula a otra, hoy es posible analizar, inclusive sin clonar, los genes de cualquier organismo, incluyendo al hombre y a través de ello, estamos ya en la era del genoma3. Proyecto Genoma Humano El proyecto del genoma humano es sin duda uno de los más importantes en la historia de la humanidad, que por sus implicaciones biomédicas y sociales en el ámbito mundial, representa una gran promesa científica. El objetivo principal del proyecto es descifrar la secuencia completa del genoma humano, dónde se encuentra la información de todas las funciones que se realizan, así como la de los genes que determinan la susceptibilidad de desarrollar alguna enfermedad como la diabetes mellitus, cáncer, Alzheimer, Huntington y las problemáticas maniaco depresivas entre algunas.3 Bolívar, F.Z. 1995. La genética moderna: horizontes. El Colegio Nacional. México. Página | 7
  • 10. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Terapia génica Los avances del proyecto del genoma humano darán lugar a una nueva era en la medicina tanto en el diagnóstico, tratamiento y la prevención de distintas enfermedades comunes como el cáncer, la diabetes o la hipertensión por medio del surgimiento de una nueva área de estudio, la medicina genómica. La secuenciación completa del genoma permitirá la identificación de la totalidad de los genes que le componen (genómica estructural) y su estudio para la determinación de su función en los organismos (genómica funcional) en distintos procesos como el desarrollo embrionario, en el envejecimiento, la regeneración de órganos o tejidos y durante el proceso de distintas enfermedades. La identificación de los genes que determinan la susceptibilidad o la resistencia al desarrollo de distintos padecimientos comunes como la hipertensión arterial, el asma o la osteoporosis, posibilitará el desarrollo de métodos de diagnóstico molecular basados en tecnologías como las microhileras de ADN (microarrays). Una vez identificados los genes de susceptibilidad específicos de cada población, será posible la investigación y el desarrollo de estrategias para la transferencia de genes a células o tejidos específicos con fines terapéuticos (terapia génica), permitiendo la restitución o inhibición de la función de distintos genes implicados en distintas enfermedades comunes4. Campo de la Biorremediación Desarrollos más recientes en biología molecular, ecología e ingeniería ambiental, ofrecen actualmente la oportunidad de modificar genéticamente organismos de tal manera que los procesos biológicos básicos sean más eficientes y capaces de degradar compuestos químicos más complejos así como mayores volúmenes de materiales de desecho. Actualmente, la principal aplicación de la biotecnología ambiental es limpiar o “remediar” la polución. La Biorremediación se está enfocando hacia el suelo y los residuos sólidos. Los logros destacados de la nueva biotecnología ambiental incluyen la limpieza de aguas y4 Tusié, T.L. y A.G. López. 2000. Proyecto Genoma Humano: perspectivas y retos. Muy interesante. Página | 8
  • 11. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasde suelos contaminados con productos del petróleo, utilizando bacterias del grupopseudomonas que son capaces de “alimentarse” de petróleo. La lixiviación bacteriana está siendo exitosamente utilizada en muchos países delmundo para recuperar metales de una gran variedad de menas. Los principales metalesrecuperados son cobre y uranio, pero también se obtienen cobalto, níquel, zinc, plomo yoro. También las plantas modificadas genéticamente han demostrado ser útiles enfitoremediación para la descontaminación de suelos que contienen metales pesados yotras sustancias tóxicas. DESARROLLOAplicaciones de la biología molecular en medicina La medicina molecular, la medicina genómica, la Farmacogenómica eldiagnóstico molecular y la terapia génica han sido el resultado del impacto de labiología molecular en las ciencias médicas. Estas áreas de la investigación biomédicahan permitido el avance en el conocimiento de la patogenia de los padecimientoshumanos, el desarrollo de novedosas estrategias terapéuticas (como es el caso de lamedicina del RNA), el mejoramiento de tratamientos farmacológicos y laimplementación de métodos diagnósticos precisos. La medicina molecular es la ciencia biomédica que utiliza las técnicas de labiología molecular en el estudio de las enfermedades humanas. Las células son las unidades funcionales de cualquier organismo vivo. Lasinstrucciones necesarias para dirigir sus actividades están contenidas en los cromosomasdel núcleo celular y son conocidas en su conjunto como información genética. Lainformación genética se encuentra almacenada en el acido desoxirribonucleico (DNA)en forma de un código, denominado código genético. Un segmento de DNA delocalización cromosómica precisa que contiene el código para un producto (proteína oRNA) de función definida se denomina gen. La información del gen es transferida a los Página | 9
  • 12. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas diferentes compartimentos celulares a través del ácido ribonucleico (RNA) y es transmitida de una célula madre a las hijas por duplicación del material genético (DNA) Los procesos celulares involucrados en la transferencia y transmisión de la información genética en la célula constituyen la materia de estudio de la biología molecular. La biología molecular puede ser definida como una disciplina que se ocupa del estudio de la vida a nivel molecular. Fig. 3 Dogma central de la biología Molecular 5 Se fundamenta en un “dogma central”, que establece el flujo de la información genética en la célula (DNA → RNA → Proteína). Para el estudio de la transferencia y la transmisión de la información genética, los biólogos moleculares han desarrollado técnicas que permiten la manipulación de los ácidos nucleicos (DNA y RNA), denominadas técnicas del DNA recombinante; con este mismo fin han propuesto y perfeccionado procedimientos para el estudio de los productos de la expresión de los genes (RNA y proteínas). El impacto de la biología molecular en las ciencias médicas se vio potenciado por el “Proyecto Genoma Humano”, investigación multinacional que estableció la secuencia de bases del DNA contenido en los cromosomas humanos. El Proyecto del Genoma Humano ha logrado determinar el orden preciso de los Fig. 4 La incorporación de la biología molecular a la cerca de 3,200 millones de nucleótidos del medicina ha sido impulsada por el avance tecnológico y la Comprensión de la información genética producidos por el Proyecto Genoma Humano.5Concepto que ilustra los mecanismos de transmisión y expresión de la herencia genética tras el Página | 10descubrimiento de la codificación de ésta en la doble hélice del ADN
  • 13. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasgenoma y elaborar un mapa que ubica a sus 30 a 40 mil genes. Para la medicina, elconocimiento de la secuencia completa del DNA humano constituye una poderosaherramienta para la investigación en biomedicina que ha permitido el avance en elconocimiento de la patogenia, el desarrollo de nuevas terapias y la implementación demétodos diagnósticos precisos.Medicina genómica Las diferencias morfológicas, fisiológicas, bioquímicas y moleculares entreindividuos de la misma especie (diferencias fenotípicas), son producto de las variacionesen la secuencia del DNA (variaciones genotípicas). Los cambios en la secuencia del DNAque se presentan con una incidencia superior al 1% reciben el nombre de polimorfismos,si la incidencia es menor son llamadas mutaciones. En el genoma se identificandiferentes tipos de polimorfismos; VNTRs (de Variable Number Tandem Repeats) y SNPs(de single nucleotide polymorphism). Los SNPs (variaciones heredadas en una sola base)explican alrededor del 90% de la diversidad fenotípica en el humano. El estudio de los polimorfismos y su asociación con las enfermedades humanas esel área de investigación de la llamada medicina genómica, la cual se define como el usode análisis genotípicos rutinarios para mejorar los cuidados de la salud del individuo.De la relación entre los polimorfismos y las enfermedades humanas que se derivan delas investigaciones en medicina genómica surge el término de “susceptibilidadgenética”, es decir, un polimorfismo o conjunto de estos que confieren propensióngenética al desarrollo de ciertas enfermedades o bien a complicaciones de estas. Lacapacidad de predecir con cierta exactitud los riegos de padecer enfermedades dondelos genes jueguen un papel fundamental hace posible la aplicación de medidaspreventivas que limiten o incluso eviten los padecimientos y sus complicaciones. La variabilidad genética no sólo es capaz de identificar la susceptibilidad a lospadecimientos, puede predecir además la evolución de estos y su respuesta a las Página | 11
  • 14. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasterapias farmacológicas; claro ejemplo de ello son los polimorfismos encontrados enpacientes con DM que se asocian a nefropatía diabética severa.Farmacogenómica La evaluación de las reacciones tóxicas y adversas de los fármacos es un requisitoindispensable para su uso terapéutico. Idiosincrasia es el término acuñado por lafarmacología para definir las reacciones individuales (tanto terapéuticas como toxicas)que puede experimentar un individuo tras la administración de una terapiafarmacológica; en definitiva, la respuesta individual a las drogas es determinada por elgenotipo. De los estudios de variabilidad genética se derivó la farmacogenómica, disciplinaque evalúa la influencia de los polimorfismos genéticos en la respuesta a los fármacos.Las evaluaciones farmacogenómicas de los nuevos activos e incluso de los ya existentespermitirán incrementar la eficiencia y bioseguridad de los tratamientos farmacológicospara generar un tratamiento justo a la medida del genotipo, en otras palabras, fármacoshechos a la medida.Medicina molecular y patogenia Es clara la implicación de la biología molecular en el estudio, diagnóstico ytratamiento de padecimientos genéticos hereditarios ocasionados por mutaciones; sinembargo, todas las enfermedades humanas poseen un componente genético bienhereditario o como resultado de la respuesta del organismo a los estímulos del medio,como las toxinas o los virus. La exploración de las funciones de cada gen humano y desus implicaciones en la enfermedad revela cómo el genotipo se relaciona con la génesis yevolución de los padecimientos. Con el conocimiento de las bases moleculares de lasenfermedades es posible identificar marcadores para el diagnóstico temprano y nuevosblancos terapéuticos, así como desarrollar estrategias terapéuticas novedosas y efectivasque en su conjunto permitan mejorar la atención a la salud. Página | 12
  • 15. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Por ejemplo, actualmente está bien documentada la estrecha asociación entre lagénesis del cáncer de mama y las mutaciones de los genes BRCA. Los genes BRCA 1 y 2funcionan como supresores tumorales; mutaciones en estos genes producen la pérdidade su función y por lo tanto conducen a proliferación celular descontrolada. Ladetección de portadores de mutaciones en BRCA1 y BRCA2 tiene un gran impacto sobrela práctica médica, permite implementar estrategias de prevención y diagnósticotemprano en miembros de familias con individuos afectados, además de permitirpredecir la evolución (agresividad) del cáncer de mama para en última instanciadeterminar el manejo más adecuado.Diagnóstico molecular La biología molecular ha venidoa revolucionar los estudiosdiagnósticos de enfermedadeshereditarias y adquiridas. Las técnicasmoleculares aplicadas al diagnósticoofrecen mayor sensibilidad,especificidad y rapidez conrequerimientos mínimos de muestra encomparación con las pruebasconvencionales. Esto permite el iniciotemprano del mejor esquematerapéutico, disminuyendo de esta Fig. 5 Las técnicas generadas por la Biología Molecular ofrecenmanera la probabilidad de ventajas sobre las técnicas convencionales en el diagnóstico de enfermedades hereditarias y adquiridas.complicaciones. Las técnicas moleculares aplicadas al diagnóstico de enfermedades infecciosas enocasiones superan las limitaciones que imponen los organismos para su aislamiento. Losácidos nucleicos microbianos extraídos de una muestra clínica pueden ser analizados Página | 13
  • 16. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecaspara buscar la presencia de secuencias de DNA específicas de los organismos sinimportar los requerimientos fisiológicos para la viabilidad de los organismos. El análisis y la clonación del genoma del virus de la hepatitis C (HCV) hapermitido conseguir antígenos virales necesarios para el desarrollo de pruebasserológicas. Actualmente, las técnicas de biología molecular permiten la identificación,cuantificación y el análisis de la secuencia del genoma de HCV en individuos infectados.Terapia génica La terapia génica se define como la transferencia o introducción de materialgenético para modificar el repertorio genético de células, destinada a curarenfermedades de origen tanto hereditario como adquirido. Las enfermedades posiblesde tratar con esta estrategia terapéutica incluyen desde las monogénicas hereditariashasta las poligénicas e infecciosas; dada esta diversidad, cada enfermedad requiere unabordaje particular. Las opciones en la manipulación genética son variadas e incluyen laadición o supresión de genes. La adición de genes (insertar un gen funcional queexprese la proteína terapéutica en el tejido indicado), incluye la corrección de genesdefectuosos, insertar genes para inducir funciones nuevas o incrementar la expresión deun gen de interés. Por otro lado, la supresión génica se realiza a través de RNA deinterferencia, oligonucleótidos anti-sentido o bien ribozimas para disminuir o anular laexpresión de genes. Según el procedimiento que seaplique a las células para introducir elgen, la terapia génica se divide en terapiagénica ex vivo e in vivo. En la terapia exvivo las células a transfectar soncultivadas para posteriormenteintroducirles el material genético; unavez que estas células expresan el gen Fig. 6 Modalidades en que consiste la Terapia Génica Página | 14
  • 17. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasterapéutico son introducidas nuevamente al paciente. Por otro lado; la terapia in vivoconsiste en la introducción directa del gen terapéutico al torrente sanguíneo o en laadministración directa en el órgano o tejido diana. Cuando la terapia génica se aplica encélulas germinales se origina un cambio permanente de todo el organismo y engeneraciones posteriores. Por el contrario, la aplicación en células somáticas implica quesolo tejidos u órganos sean transfectados mediante administración sistémica, inyeccióndirecta o previa extirpación del tejido. Este tipo de terapia génica se aplica aprácticamente cualquiera de las células del organismo y es la más aplicada en la clínica. Para transferir los genesterapéuticos, la terapia génica utilizavehículos de origen viral o no viralllamados vectores. La transferencia degenes y cambios fenotípicosprovocados por un vector viral sedenomina “transducción”; en cambio,la transferencia de genes por unsistema no viral se denomina Fig. 7 Vectores útiles en la Terapia Génica“transfección” Los vectores no virales muestran una baja toxicidad y en general son de bajocosto; sin embargo, la transferencia de genes es generalmente ineficiente y transitoria. Latransfección por vectores no virales se divide a su vez en métodos físicos(electroporación, bombardeo de partículas, inyección directa de DNA, etc.) y químicos(precipitación con fosfato de calcio, liposomas, etc.). Electroporación: consiste en el uso de una corriente eléctrica para generar orificiosen la membrana celular a través de los cuales el material genético se introduce,generalmente por precipitación de complejos DNA-sales. Usada para cultivos celulares. Página | 15
  • 18. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Bombardeo de partículas: consiste en el uso de un aparato de balística que disparamicropartículas de oro rodeadas de DNA plasmidico; estas partículas atraviesan lapared celular depositando el material genético en el citoplasma. Es el método deelección para la transfección de células vegetales. Inyección directa del DNA: consiste en la introducción directa de DNA en el núcleocelular mediante una especie de jeringa y un microscopio. Se utiliza principalmente parala producción de animales transgénicos. Precipitación con fosfato de calcio: consiste en formar un precipitado insoluble entreel cloruro de calcio y el DNA que forma microagregados que se depositan sobre lamembrana celular y posteriormente son endocitados. Es la técnica de elección paraexperimentos in vitro. Liposomas: se basa en polímeros de poliamidoaminas y lipopoliaminas con cargaspositivas que se unen a las cargas negativas del DNA formando vesículasmultilaminales que interactúan con los lípidos de la membrana celular, facilitando latransferencia de los ácidos nucleicos al interior de las células. Por otro lado, los vectores virales presentan una mayor eficiencia de transduccióncomparados con los sistemas no virales, por lo que son los vectores de elección en losmodelos in vivo y en protocolos clínicos de terapia génica. Hasta el momento se usanretrovirus, adenovirus, adenoasociados, herpesvirus y baculovirus. Para su uso comovectores, los virus son modificados genéticamente para que sean deficientes enreplicación; en algunas ocasiones además, su cápside es modificada con la finalidad dedirigir o re-direccionar su célula blanco. Cada uno de estos vectores posee ventajas ylimitaciones respecto a los otros dependiendo del transgen, el tipo celular y la vía deadministración. En general, un vector ideal debe producirse de manera fácil y eficiente,no ser tóxico o inducir reacciones inmunológicas, ser capaz de infectar a células tanto enreposo como en replicación y transducir tipos celulares de manera específica. Página | 16
  • 19. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Con base en la naturaleza de su genoma los vectores virales pueden ser divididosen vectores de RNA y DNA; dada su capacidad de integrar o no su genoma viral dentrodel DNA cromosómico de la célula huésped pueden ser clasificados como vectoresintegrativos o no integrativos. Los vectores integrativos se basan en retrovirus; los nointegrativos incluyen a los vectores adenovirales (Ad), virus adeno-asociados (AAV) ylos virus de herpes simple tipo 1 (HSV-1).Medicina de RNA La medicina de RNA utiliza diversas estrategias basadas en el uso de moléculasde RNA con fines terapéuticos. De estas estrategias, la primera en ser desarrollada fue laterapia antisentido; es decir, aquella basada en el empleo de oligonucleótidosantisentido expresamente diseñados para bloquear la acción de determinados genes.Esta idea inicio promisoriamente hacia 1992 en la Universidad de Harvard, donde sepropuso inicialmente que la terapia antisentido podría resultar eficaz para tratarenfermedades vinculadas con una actividad genética anormal y donde se inició laelaboración comercial de oligonucleótidos antisentido. Esta terapia se basa en la síntesis de un oligonucleotido antisentido a un mRNApara el que se desea bloquear su traducción, evitando así la producción de una proteínanociva. En un abordaje alterno, el oligonucleótido puede ir dirigido a unirse a un DNAde doble cadena que contiene una mutación causante de una patología; de esta manera,la triple cadena formada no será transcrita, impidiendo la expresión del gen defectuoso. Las desventajas presentadas por esta estrategia estriban en la gran cantidad deoligonucleótidos que se requieren administrar para sistemas in vivo y en la facilidad dedegradación de estos RNA de cadena sencilla (a veces aun antes de alcanzar suobjetivo); además, dada la conformación espacial tanto del DNA como del RNA, auncon un diseño teórico correcto no es posible asegurar la hibridación del oligonucleótido.Esta estrategia ha probado ser útil para bloquear la expresión del oncogén kRAS, losefectos fibróticos del TGF-β y para inhibir la expresión vírica del VHC. Página | 17
  • 20. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas El sistema de inhibición conocido como RNA de interferencia (RNAi) sedescubrió al observarse que algunas moléculas de RNA de longitud pequeña podíananular la expresión de genes en células de plantas y animales al hibridar con las cadenasde RNA mensajero, con lo que la síntesis proteica se veía inhibida. Este proceso deinhibición con RNA de doble cadena se da en las células naturalmente, por ejemplo, lasplantas lo utilizan como defensa contra infecciones virales; otros procesos dentro de lacélula utilizan mecanismos similares. El siguiente aporte en esta historia, después del descubrimiento de los RNApequeños, ocurrió a mediados del 2002 cuando se identificó una enzima con actividadde ribonucleasa llamada Dicer. Esta enzima es la encargada de producir en la célula lasmoléculas de RNA pequeño a partir de moléculas de RNA grandes. Los segmentoscortados pueden ser, según el gen que los produjo, microRNAs y RNAs interferentescortos (siRNAs). Los siRNAs se originan por el procesamiento de un RNA largo de doble cadena(dsRNA) por la enzima Dicer que genera fragmentos de 20-25 nucleotidos de longitud.Este siRNA se incorpora a un complejo denominado Complejo Silenciador Inducido porRNA (RISC) que contiene proteasas. Al constituirse el RISC, las hebras complementarias(sentido y antisentido) del siRNA son desapareadas. El siRNA desapareado antisentidose asocia, mediante hibridación, con el RNA blanco y guía al complejo RISC hacia susecuencia blanco (mRNA sentido) al cual es complementario. La actividad deendorribonucleasa corta el RNA blanco en la porción media de la región pareada yalgunas exonucleasas completan la degradación. Esta estrategia se ha utilizado comoherramienta para silenciamiento de genes específicos en células de mamífero. Otrasestrategias que se han implementado para inducir la expresión de estas moléculas son lainyección de dsRNA (sintetizado químicamente o transcrito in vitro), el bombardeo departículas recubiertas del RNAi o la transfección con vectores que portan secuenciaspara la expresión endógena del RNAi (transitoria o estable). Página | 18
  • 21. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas Las posibilidades y aplicaciones del RNA pequeño han cambiado la manera deentender la producción de proteínas, la cual ya no se puede explicar sin la participaciónde estos RNA que pueden inactivar genes completos. Como estrategia terapéutica, supoderosa acción de inhibición y la posibilidad de propagarse de una célula a otra podrágenerar nuevas terapias genéticas altamente eficaces. Por su tamaño pequeño, suparticipación en la expresión o inexpresión de proteínas y sus funciones todavíadesconocidas, los RNA pequeños se han convertido en moléculas clave que repercutiránen la forma en que nos acercamos a los mecanismos de la vida. Los microRNAs (miRNA) son RNA decadena sencilla de 21-23 nucleótidos delongitud que regulan la expresión génica.Fueron descritos por primera vez por elgrupo de Victor Ambros en 1993 como smallRNAs, aunque el termino micro RNA seacuño hasta el 2001 por Ruvkun. Los miRNAson codificados por genes que son transcritosmas no traducidos; estos transcritos sonprocesados a un forma llamada pri-miRNAque originan las estructuras premiRNA quecontienen una pequeña horquilla; finalmentese originan los miRNA maduros. Los genesque los originan son transcritos Fig. 8 Vía que sigue el miRNAprimariamente a pri-miRNA con una CAP yuna cola de poli A que es procesado en el núcleo de la célula a un segmento corto de 70nucleótidos con estructura de pasador llamado pri-miRNA. Este procesamiento lorealiza un complejo llamado “Microprocessor complex”, que incluye una nucleasa llamadaDrosha y una proteína de unión a RNA de doble cadena denominada Pasha.Posteriormente, en el citoplasma, el pre-miRNA es procesado a su forma madura por la Página | 19
  • 22. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasnucleasa Dicer que inicia la formación del complejo RISC (complejo inductor delsilenciamiento de RNA). El corte por Dicer origina dos moléculas pequeñascomplementarias de RNA, de las cuales solo una, conocida como hebra “guía”, esseleccionada por la proteína Argonauta (RNAasa del complejo RISC) para integrar elcomplejo RISC mientras que la cadena sobrante es degradada. El miRNA generadocomplementara a su secuencia blanco la cual será degrada por el complejo RISC. En plantas, la función de estas moléculas parece ser similar a la del RNAi(facilitar el corte del mRNA); en el caso de los animales, se cree funciona previniendo latraducción proteica sin degradar el mRNA. Los miRNA parecen también regular lametilación de secuencias. La actividad de un miRNA puede ser bloqueada por un “locked nucleic acid”(LNA), que es un oligonucleótido modificado (2-O-methyl RNA oligo), o por unoligonucleótido bloqueador estérico. Los miRNA han sido vinculados a patologías como cirrosis, cáncer, dañomuscular, etc.; y su bloqueo está siendo explorado como una estrategia terapéutica parael tratamiento de varios padecimientos.Ingeniería de proteínas Los avances en biología molecular permitieron diseñar y producir en masanuevas proteínas diferentes de las sintetizadas por los organismos vivos. Con lastécnicas actuales para sintetizar DNA es posible crear un gen artificial que se puedeemplear para producir proteínas que tengan una secuencia deseada de aminoácidos. Elproblema reside en saber cuál de todas las posibles proteínas, entre una variedadprácticamente infinita, se podría manufacturar que tuviera alguna función útil. Porejemplo, consideremos una compañía de biotecnología que quiere manufacturar unaproteína que se enlace a la superficie del virus del SIDA para eliminarlo de una soluciónacuosa o del torrente sanguíneo. Asumiendo que un programa de simulación encomputadora puede predecir la forma que debe tener tal proteína para enlazarse a la Página | 20
  • 23. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecassuperficie del virus, ¿qué secuencia de aminoácidos se debe reunir para producir dichaproteína? La respuesta requiere un conocimiento detallado de las reglas que gobiernanla relación entre estructura primaria y estructura terciaria de una proteína. En años recientes se lograron grandes avances en la síntesis de genes artificialescuyos productos péptidos pueden plegarse en estructuras secundarias relativamentesimples, como haces de hélices α o láminas β. Sin embargo, los intentos para crear unaestructura más compleja de polipéptidos a partir de la inicial son mucho más difíciles. Otra manera de conocer el estado actual de conocimiento de las proteínas porparte de los bioquímicos es suministrarles la secuencia primaria de una proteína cuyaestructura terciaria esté a punto de conocerse y permitirles que hagan prediccionesrespecto del aspecto tridimensional que tendrá dicha proteína; luego se puedencomparar las predicciones con la verdadera estructura. Hasta ahora, estas prediccionesno han sido muy precisas, lo cual sirve para recordarnos el alto nivel de complejidad delas proteínas y nuestra limitada comprensión de la manera como la naturalezatransforma un mensaje genético lineal en una proteína funcional tridimensional. Un método alternativo para la producción de nuevas proteínas es modificar lasproducidas por las células. Avances recientes en la tecnología del DNA han permitido alos investigadores aislar un gen individual de los cromosomas humanos, alterar sucontenido de información en forma precisa y luego sintetizar la proteína modificada conla secuencia de aminoácidos alterada. Esta técnica, a la cual se denomina mutagénesisdirigida al sitio, tiene gran variedad de usos, tanto en investigación básica como enbiología aplicada. Por ejemplo, si un investigador desea saber el papel de un residuoparticular en el plegamiento de un polipéptido, se puede mutar al gene de manera quesustituya a un residuo con diferencias de carga, características hidrofóbicas opropiedades para formar enlaces de hidrógeno, y a continuación se puede determinar lacapacidad del polipéptido modificado para lograr su estructura terciaria normal. La Página | 21
  • 24. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas mutagénesis dirigida al sitio es una invaluable herramienta en el análisis de las funciones específicas de partes mínimas de casi todas las proteínas de interés biológico6. CONCLUSIONES Al hablar de la Biotecnología es preciso subrayar que una de sus principales facetas, la ingeniería genética, se ha desarrollado básicamente gracias a estudios realizados con microorganismos. La mayoría de los científicos interesados en la biología molecular del crecimiento y de la división celular concentran sus esfuerzos en las bacterias, debido en parte a que sus células son unas 500 veces más pequeñas que la célula media de cualquier planta o animal superior, con un número de moléculas que, en el caso de las células de E. Coli, oscila entre 3.000 y 6.000, de las cuales aproximadamente la mitad son macromoléculas. Pero existe otro grupo de microorganismos, los virus, que ofrecen también un interés biológico grande dentro de la biología molecular y la moderna biotecnología, sobre todo al actuar como vectores de clonación en numerosos experimentos de ingeniería genética. La biotecnología ha demostrado que las aplicaciones científicas van íntimamente unidas al trabajo de investigación básica, y también es preciso tener en cuenta la naturaleza extraordinariamente multidisciplinaria e interdisciplinaria de la biotecnología. La Biotecnología se ha constituido en una Ciencia altamente interdisciplinaria en donde la aplicación de los organismos vivos o de sus componentes a los procesos industriales se basa en el hecho de que los seres vivos producen innumerables substancias, con frecuencia de elevado interés comercial. El gran avance de la moderna biotecnología ha sido una consecuencia del progreso de la biología molecular que ha6 Tomado del libro Karp, Gerald; Biología Celular y Molecular, 4ª edición, McGraw-Hill, (2006) Página | 22
  • 25. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasfacilitado el conocimiento de los fundamentos básicos en los que se asienta la vida, enespecial las bases del crecimiento y reproducción de los organismos vivos. Laintroducción de las técnicas del ácido desoxirribonucleico recombinante (DNAr), de lafusión celular inducida y de otras nuevas tecnologías en los procesos industrialesbiológicos, han conducido a aplicaciones más efectivas de algunos procesos antiguosbien desarrollados. La tecnología del DNA recombinante, introducida principalmente porinvestigadores de las Universidades de Stanford y California, han revolucionado labiología y de forma muy especial la biotecnología. La tecnología, a primera vistasumamente simple, consiste en la unión del DNA procedente de diferentes organismosvivos, para un fin específico. En su conjunto, estas técnicas han permitido una granproifundización en el conocimiento de las bases moleculares de la vida, mientras que enotro terreno han conducido al establecimiento de numerosas empresas dinámicas yagresivas; estas bioindustrias con firmes raíces en la investigación básica universitaria,se orientan fundamentalmente a fines concretos de producción de numerososcompuestos que van desde los productos farmacéuticos a las aplicaciones más distantesen el área de la minería o incluso de la microelectrónica. La medicina se ha beneficiado extraordinariamente de este progreso al poner laindustria biotecnológica productos de gran interés en manos de los clínicos para suensayo sobre los enfermos. A modo exclusivamente informativo se pueden citar algunosde los productos así obtenidos, comenzando por las proteínas reguladoras, entre las quedestaca la insulina humana, los interferones, las linfoquinas, la hormona del crecimientohumano, los péptidos neuroactivos y todo un amplio conjunto de otras proteínasreguladoras. La tecnología del DNA recombinante ha comenzado ya a dar pasos importantesen la producción de vacunas antivíricas, ofreciendo una clara ventaja frente a lastradicionales, al ofrecer la posibilidad de fabricar subunidades de las mismas. Se Página | 23
  • 26. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecasproduce ya la vacuna de la hepatitis B y se trabaja intensamente en las de la gripe,poliovirus y herpes sin olvidar la del virus VIH o del SIDA de extraordinario interés,proyecto en el que trabajan un buen número de centros de investigación biomédica yalguna bioindustria. Es por eso que aprender de la amplia gama de aplicaciones de la biologíamolecular es de gran importancia, ya que nos permite saber y conocer como unorganismo se comporta en determinados ambientes, y situaciones. Además, a partir de allí se origina la curiosidad por seguir aprendiendo de estaciencia para el mejoramiento de productos, creación de nuevos fármacos, nuevosprocesos que nos lleven a terapias génicas, saber como se comporta la herencia, etc. Página | 24
  • 27. Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas BIBLIOGRAFÍAS CONSULTADAS Karp, Gerald; Biología Celular y Molecular, 4ª edición, McGraw-Hill, (2006) Quintero, R. et al., 1999. Prospectiva de la biotecnología en México. Fundación J. Barros Sierra-CONACYT, México. pp. 461-466. Guarneros, R.M. y Cárdenas, G.G.1999. La Nueva Biotecnología. Muy interesante. 10:6-18. Cox TM, Sinclair J. Biología Molecular en Medicina, Buenos Aries: Editorial Médica Panamericana. 1998. García, Fernández Horacio. Biotecnología: La Lampara de Aladino: ¿Cómo se llegó a la moderna Biotecnología? Ed. CONACyT. Colección Viaje al Centro de la Ciencia. 1994. Capítulo 4: 31-36. M. F. De Robertis, Eduardo, Fundamentos de biología celular y molecular de, De Robertis; 4ª edición, Ed. El Ateneo. Lizcano Losada, Fernando; Fundamentos Moleculares en Medicina, universidad de la Sabana, 2005. Timothy M. Cox, John Sinclair, John Sinclair (Ph.D.), Jorge H. Negrete; Biología molecular en Medicina, Ed. Médica Panamericana, 1998 Jiménez, Maldonado; Biología Molecular En Medicina; Ed. Limusa, series biotecnológicas, 1998. Cabrera Luque, José ; texto ilustrado de biología molecular e ingeniería genética, Ed. El Sevier, España, 2001. Morris, M.S. Historia de la biotecnología. Ciencia y desarrollo. 1989, XIV(84):19-32. http://www.izt.uam.mx/cosmosecm/BIOLOGIA_MOLECULAR.html Soberón, X. et al .1998.Biotecnología moderna en México: áreas estratégicas. Obra Científica. Trabajos seleccionados de divulgación científica. Tomo III. El Colegio Nacional. México. Pág. 215-261. Página | 25