Ingeniería genética
Manipulación del genoma de un organismo

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Ingeniería genética
 
Organismos genéticamente modificados
Historia y regulación
Proceso
Applications
Controversies

La ingeniería genética , también llamada modificación genética o manipulación genética , es la modificación y manipulación de los genes de un organismo mediante tecnología . Es un conjunto de tecnologías utilizadas para cambiar la composición genética de las células, incluida la transferencia de genes dentro y entre especies para producir organismos mejorados o novedosos .

El ADN nuevo se obtiene aislando y copiando el material genético de interés mediante métodos de ADN recombinante o sintetizándolo artificialmente . Normalmente se crea un constructo y se utiliza para insertar este ADN en el organismo huésped. La primera molécula de ADN recombinante fue creada por Paul Berg en 1972 combinando ADN del virus del mono SV40 con el virus lambda .

Además de insertar genes , el proceso puede utilizarse para eliminarlos o " eliminarlos ". El nuevo ADN puede insertarse aleatoriamente o dirigirse a una parte específica del genoma . [1]

Un organismo que se genera a través de la ingeniería genética se considera genéticamente modificado (GM) y la entidad resultante es un organismo genéticamente modificado (OGM). El primer OGM fue una bacteria generada por Herbert Boyer y Stanley Cohen en 1973. Rudolf Jaenisch creó el primer animal GM cuando insertó ADN extraño en un ratón en 1974. La primera empresa en centrarse en la ingeniería genética, Genentech , se fundó en 1976 y comenzó la producción de proteínas humanas. La insulina humana genéticamente modificada se produjo en 1978 y las bacterias productoras de insulina se comercializaron en 1982. Los alimentos genéticamente modificados se han vendido desde 1994, con el lanzamiento del tomate Flavr Savr . El Flavr Savr fue diseñado para tener una vida útil más larga, pero la mayoría de los cultivos GM actuales están modificados para aumentar la resistencia a los insectos y herbicidas. GloFish , el primer OGM diseñado como mascota, se vendió en Estados Unidos en diciembre de 2003. En 2016 se comercializaron salmones modificados con una hormona de crecimiento.

La ingeniería genética se ha aplicado en numerosos campos, entre ellos la investigación, la medicina, la biotecnología industrial y la agricultura. En la investigación, los OGM se utilizan para estudiar la función y la expresión de los genes a través de experimentos de pérdida de función, ganancia de función, seguimiento y expresión. Al eliminar los genes responsables de ciertas afecciones, es posible crear organismos animales modelo de enfermedades humanas. Además de producir hormonas, vacunas y otros medicamentos, la ingeniería genética tiene el potencial de curar enfermedades genéticas mediante terapia génica . Las células de ovario de hámster chino (CHO) se utilizan en la ingeniería genética industrial. Además, las vacunas de ARNm se elaboran mediante ingeniería genética para tratar virus como el COVID-19 . Las mismas técnicas que se utilizan para producir medicamentos también pueden tener aplicaciones industriales, como la producción de enzimas para detergentes para ropa, quesos y otros productos.

El aumento de los cultivos modificados genéticamente comercializados ha proporcionado beneficios económicos a los agricultores de muchos países diferentes, pero también ha sido la fuente de la mayor parte de la controversia en torno a la tecnología. Esto ha estado presente desde su uso temprano; los primeros ensayos de campo fueron destruidos por activistas anti-OGM. Aunque existe un consenso científico de que los alimentos actualmente disponibles derivados de cultivos transgénicos no plantean un riesgo mayor para la salud humana que los alimentos convencionales, los críticos consideran que la seguridad de los alimentos transgénicos es una preocupación principal. El flujo de genes , el impacto en organismos no objetivo, el control del suministro de alimentos y los derechos de propiedad intelectual también se han planteado como posibles problemas. Estas preocupaciones han llevado al desarrollo de un marco regulatorio, que comenzó en 1975. Ha conducido a un tratado internacional, el Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad , que se adoptó en 2000. Los países individuales han desarrollado sus propios sistemas regulatorios con respecto a los OGM, y las diferencias más marcadas se dan entre Estados Unidos y Europa .

Definición de la IUPAC

Ingeniería genética : Proceso de inserción de nueva información genética en células existentes con el fin de modificar un organismo específico con el fin de cambiar sus características.

Nota : Adaptado de la referencia [2] [3]

Descripción general

Comparación del mejoramiento vegetal convencional con la modificación genética transgénica y cisgénica

La ingeniería genética es un proceso que altera la estructura genética de un organismo, ya sea eliminando o introduciendo ADN o modificando material genético existente in situ. A diferencia de la cría tradicional de animales y plantas , que implica realizar múltiples cruces y luego seleccionar el organismo con el fenotipo deseado , la ingeniería genética toma el gen directamente de un organismo y lo entrega al otro. Esto es mucho más rápido, se puede utilizar para insertar cualquier gen de cualquier organismo (incluso los de diferentes dominios ) y evita que también se agreguen otros genes indeseables. [4]

La ingeniería genética podría potencialmente solucionar graves trastornos genéticos en los seres humanos al reemplazar el gen defectuoso por uno funcional. [5] Es una herramienta importante en la investigación que permite estudiar la función de genes específicos. [6] Se han obtenido medicamentos, vacunas y otros productos de organismos diseñados para producirlos. [7] Se han desarrollado cultivos que contribuyen a la seguridad alimentaria al aumentar el rendimiento, el valor nutricional y la tolerancia a las tensiones ambientales. [8]

El ADN se puede introducir directamente en el organismo huésped o en una célula que luego se fusiona o hibrida con el huésped. [9] Esto se basa en técnicas de ácidos nucleicos recombinantes para formar nuevas combinaciones de material genético hereditario seguidas de la incorporación de ese material ya sea indirectamente a través de un sistema vectorial o directamente a través de microinyección , macroinyección o microencapsulación .

La ingeniería genética normalmente no incluye la cría tradicional, la fertilización in vitro , la inducción de poliploidía , la mutagénesis y las técnicas de fusión celular que no utilizan ácidos nucleicos recombinantes o un organismo modificado genéticamente en el proceso. [9] Sin embargo, algunas definiciones amplias de ingeniería genética incluyen la cría selectiva . [10] La clonación y la investigación con células madre , aunque no se consideran ingeniería genética, [11] están estrechamente relacionadas y la ingeniería genética se puede utilizar dentro de ellas. [12] La biología sintética es una disciplina emergente que lleva la ingeniería genética un paso más allá al introducir material sintetizado artificialmente en un organismo. [13]

Las plantas, animales o microorganismos que han sido modificados mediante ingeniería genética se denominan organismos genéticamente modificados u OGM. [14] Si se añade material genético de otra especie al huésped, el organismo resultante se denomina transgénico . Si se utiliza material genético de la misma especie o de una especie que puede reproducirse naturalmente con el huésped, el organismo resultante se denomina cisgénico . [15] Si se utiliza ingeniería genética para eliminar material genético del organismo objetivo, el organismo resultante se denomina organismo knockout . [16] En Europa, la modificación genética es sinónimo de ingeniería genética, mientras que en los Estados Unidos de América y Canadá, la modificación genética también se puede utilizar para referirse a métodos de reproducción más convencionales. [17] [18] [19]

Historia

Los seres humanos han alterado los genomas de las especies durante miles de años a través de la cría selectiva o selección artificial [20] : 1  [21] : 1  en contraste con la selección natural . Más recientemente, la cría por mutación ha utilizado la exposición a sustancias químicas o radiación para producir una alta frecuencia de mutaciones aleatorias, con fines de cría selectiva. La ingeniería genética como la manipulación directa del ADN por parte de los seres humanos fuera de la cría y las mutaciones solo existe desde la década de 1970. El término "ingeniería genética" fue acuñado por el genetista nacido en Rusia Nikolay Timofeev-Ressovsky en su artículo de 1934 "La producción experimental de mutaciones", publicado en la revista británica Biological Reviews. [22] Jack Williamson utilizó el término en su novela de ciencia ficción Dragon's Island, publicada en 1951 [23] – un año antes de que Alfred Hershey y Martha Chase confirmaran el papel del ADN en la herencia , [24] y dos años antes de que James Watson y Francis Crick demostraran que la molécula de ADN tiene una estructura de doble hélice – aunque el concepto general de manipulación genética directa fue explorado en forma rudimentaria en la historia de ciencia ficción Proteus Island de Stanley G. Weinbaum de 1936. [25] [26]

En 1974, Rudolf Jaenisch creó un ratón genéticamente modificado , el primer animal transgénico.

En 1972, Paul Berg creó las primeras moléculas de ADN recombinante combinando ADN del virus del mono SV40 con el del virus lambda . [27] En 1973, Herbert Boyer y Stanley Cohen crearon el primer organismo transgénico insertando genes de resistencia a antibióticos en el plásmido de una bacteria Escherichia coli . [28] [29] Un año después, Rudolf Jaenisch creó un ratón transgénico introduciendo ADN extraño en su embrión, convirtiéndolo en el primer animal transgénico del mundo. [30] Estos logros generaron inquietudes en la comunidad científica sobre los riesgos potenciales de la ingeniería genética, que se discutieron en profundidad por primera vez en la Conferencia de Asilomar en 1975. Una de las principales recomendaciones de esta reunión fue que se estableciera una supervisión gubernamental de la investigación del ADN recombinante hasta que la tecnología se considerara segura. [31] [32]

En 1976, Herbert Boyer y Robert Swanson fundaron Genentech, la primera empresa de ingeniería genética, y un año después la empresa produjo una proteína humana ( somatostatina ) en E. coli . Genentech anunció la producción de insulina humana modificada genéticamente en 1978. [33] En 1980, la Corte Suprema de los Estados Unidos en el caso Diamond v. Chakrabarty dictaminó que la vida alterada genéticamente podía patentarse. [34] La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) aprobó la liberación de la insulina producida por bacterias en 1982. [35]

En 1983, una empresa de biotecnología, Advanced Genetic Sciences (AGS), solicitó autorización al gobierno de los Estados Unidos para realizar pruebas de campo con la cepa ice-minus de Pseudomonas syringae para proteger los cultivos de las heladas, pero los grupos ambientalistas y los manifestantes retrasaron las pruebas de campo durante cuatro años con impugnaciones legales. [36] En 1987, la cepa ice-minus de P. syringae se convirtió en el primer organismo genéticamente modificado (OGM) en ser liberado al medio ambiente [37] cuando un campo de fresas y un campo de patatas en California fueron rociados con ella. [38] Ambos campos de prueba fueron atacados por grupos activistas la noche anterior a que se llevaran a cabo las pruebas: "El primer sitio de prueba del mundo atrajo al primer destructor de campos del mundo". [37]

Los primeros ensayos de campo de plantas genéticamente modificadas se produjeron en Francia y los EE.UU. en 1986, las plantas de tabaco fueron diseñadas para ser resistentes a los herbicidas . [39] La República Popular de China fue el primer país en comercializar plantas transgénicas, introduciendo un tabaco resistente a los virus en 1992. [40] En 1994 Calgene obtuvo la aprobación para lanzar comercialmente el primer alimento genéticamente modificado , el Flavr Savr , un tomate diseñado para tener una vida útil más larga. [41] En 1994, la Unión Europea aprobó el tabaco diseñado para ser resistente al herbicida bromoxinil , convirtiéndolo en el primer cultivo genéticamente modificado comercializado en Europa. [42] En 1995, la patata Bt fue aprobada como segura por la Agencia de Protección Ambiental , después de haber sido aprobada por la FDA, convirtiéndose en el primer cultivo productor de pesticidas en ser aprobado en los EE.UU. [43] En 2009 se cultivaron comercialmente 11 cultivos transgénicos en 25 países, de los cuales los de mayor superficie cultivada fueron Estados Unidos, Brasil, Argentina, India, Canadá, China, Paraguay y Sudáfrica. [44]

En 2010, los científicos del Instituto J. Craig Venter crearon el primer genoma sintético y lo insertaron en una célula bacteriana vacía. La bacteria resultante, llamada Mycoplasma laboratorium , podía replicarse y producir proteínas. [45] [46] Cuatro años más tarde, esto se llevó un paso más allá cuando se desarrolló una bacteria que replicaba un plásmido que contenía un par de bases único , creando el primer organismo diseñado para utilizar un alfabeto genético expandido. [47] [48] En 2012, Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier colaboraron para desarrollar el sistema CRISPR/Cas9 , [49] [50] una técnica que se puede utilizar para alterar de forma fácil y específica el genoma de casi cualquier organismo. [51]

Proceso

La reacción en cadena de la polimerasa es una herramienta poderosa utilizada en la clonación molecular .

La creación de un OGM es un proceso de varios pasos. Los ingenieros genéticos deben elegir primero qué gen desean insertar en el organismo. Esto depende del objetivo que se persiga con el organismo resultante y se basa en investigaciones anteriores. Se pueden realizar pruebas genéticas para determinar los genes potenciales y luego se pueden utilizar más pruebas para identificar los mejores candidatos. El desarrollo de microarrays , transcriptómica y secuenciación genómica ha hecho que sea mucho más fácil encontrar genes adecuados. [52] La suerte también juega su papel; el gen Roundup Ready se descubrió después de que los científicos observaran que una bacteria prosperaba en presencia del herbicida. [53]

Aislamiento y clonación de genes

El siguiente paso es aislar el gen candidato. La célula que contiene el gen se abre y el ADN se purifica. [54] El gen se separa utilizando enzimas de restricción para cortar el ADN en fragmentos [55] o reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar el segmento del gen. [56] Estos segmentos pueden luego extraerse mediante electroforesis en gel . Si el gen elegido o el genoma del organismo donante ha sido bien estudiado, es posible que ya sea accesible desde una biblioteca genética . Si se conoce la secuencia de ADN , pero no hay copias del gen disponibles, también se puede sintetizar artificialmente . [57] Una vez aislado, el gen se liga a un plásmido que luego se inserta en una bacteria. El plásmido se replica cuando la bacteria se divide, lo que garantiza que haya copias ilimitadas del gen disponibles. [58] El plásmido RK2 es notable por su capacidad de replicarse en una amplia variedad de organismos unicelulares , lo que lo hace adecuado como herramienta de ingeniería genética. [59]

Antes de insertar el gen en el organismo objetivo, debe combinarse con otros elementos genéticos, entre los que se incluyen una región promotora y una terminadora , que inician y terminan la transcripción . Se añade un gen marcador seleccionable , que en la mayoría de los casos confiere resistencia a los antibióticos , de modo que los investigadores pueden determinar fácilmente qué células se han transformado con éxito. El gen también puede modificarse en esta etapa para lograr una mejor expresión o eficacia. Estas manipulaciones se llevan a cabo utilizando técnicas de ADN recombinante , como las digestaciones de restricción , las ligaduras y la clonación molecular. [60]

Inserción de ADN en el genoma del huésped

Una pistola genética utiliza la biolística para insertar ADN en el tejido vegetal.

Existen varias técnicas que se utilizan para insertar material genético en el genoma del huésped. Algunas bacterias pueden absorber de forma natural ADN extraño . Esta capacidad puede inducirse en otras bacterias mediante estrés (por ejemplo, choque térmico o eléctrico), que aumenta la permeabilidad de la membrana celular al ADN; el ADN absorbido puede integrarse con el genoma o existir como ADN extracromosómico . El ADN se inserta generalmente en células animales mediante microinyección , donde puede inyectarse a través de la envoltura nuclear de la célula directamente en el núcleo , o mediante el uso de vectores virales . [61]

Los genomas de las plantas pueden diseñarse mediante métodos físicos o mediante el uso de Agrobacterium para la administración de secuencias alojadas en vectores binarios de T-ADN . En las plantas, el ADN a menudo se inserta utilizando la transformación mediada por Agrobacterium , [62] aprovechando la secuencia de T-ADN de Agrobacterium que permite la inserción natural de material genético en las células vegetales. [63] Otros métodos incluyen la biolística , donde partículas de oro o tungsteno se recubren con ADN y luego se inyectan en células vegetales jóvenes, [64] y la electroporación , que implica el uso de una descarga eléctrica para hacer que la membrana celular sea permeable al ADN plasmídico.

Como sólo se transforma una única célula con material genético, el organismo debe regenerarse a partir de esa única célula. En las plantas, esto se logra mediante el uso de cultivo de tejidos . [65] [66] En los animales, es necesario asegurarse de que el ADN insertado esté presente en las células madre embrionarias . [67] Las bacterias constan de una sola célula y se reproducen clonalmente, por lo que la regeneración no es necesaria. Se utilizan marcadores seleccionables para diferenciar fácilmente las células transformadas de las no transformadas. Estos marcadores suelen estar presentes en el organismo transgénico, aunque se han desarrollado varias estrategias que pueden eliminar el marcador seleccionable de la planta transgénica madura. [68]

A. tumefaciens adhiriéndose a una célula de zanahoria

Se realizan pruebas adicionales mediante PCR, hibridación Southern y secuenciación de ADN para confirmar que un organismo contiene el nuevo gen. [69] Estas pruebas también pueden confirmar la ubicación cromosómica y el número de copias del gen insertado. La presencia del gen no garantiza que se expresará en niveles apropiados en el tejido diana, por lo que también se utilizan métodos que buscan y miden los productos del gen (ARN y proteína). Estos incluyen hibridación Northern , RT-PCR cuantitativa , Western blot , inmunofluorescencia , ELISA y análisis fenotípico. [70]

El nuevo material genético se puede insertar aleatoriamente dentro del genoma del huésped o dirigirse a una ubicación específica. La técnica de selección de genes utiliza la recombinación homóloga para realizar los cambios deseados en un gen endógeno específico . Esto tiende a ocurrir con una frecuencia relativamente baja en plantas y animales y generalmente requiere el uso de marcadores seleccionables . La frecuencia de la selección de genes se puede mejorar en gran medida mediante la edición del genoma . La edición del genoma utiliza nucleasas diseñadas artificialmente que crean roturas bicatenarias específicas en las ubicaciones deseadas del genoma y utilizan los mecanismos endógenos de la célula para reparar la rotura inducida mediante los procesos naturales de recombinación homóloga y unión de extremos no homólogos . Hay cuatro familias de nucleasas diseñadas: meganucleasas , [71] [72] nucleasas de dedo de zinc , [73] [74] nucleasas efectoras similares a activadores de la transcripción (TALEN), [75] [76] y el sistema Cas9-ARN guía (adaptado de CRISPR ). [77] [78] TALEN y CRISPR son los dos más utilizados y cada uno tiene sus propias ventajas. [79] Las TALEN tienen una mayor especificidad del objetivo, mientras que CRISPR es más fácil de diseñar y más eficiente. [79] Además de mejorar la focalización de los genes, las nucleasas diseñadas se pueden utilizar para introducir mutaciones en genes endógenos que generan un gen knockout . [80] [81]

Aplicaciones

La ingeniería genética tiene aplicaciones en medicina, investigación, industria y agricultura y puede utilizarse en una amplia gama de plantas, animales y microorganismos. Las bacterias , los primeros organismos en ser modificados genéticamente, pueden tener ADN plasmídico insertado que contiene nuevos genes que codifican medicamentos o enzimas que procesan alimentos y otros sustratos . [82] [83] Las plantas han sido modificadas para protección contra insectos, resistencia a herbicidas , resistencia a virus, mejor nutrición, tolerancia a presiones ambientales y la producción de vacunas comestibles . [84] La mayoría de los OGM comercializados son plantas de cultivo resistentes a insectos o tolerantes a herbicidas. [85] Los animales genéticamente modificados se han utilizado para investigación, animales modelo y la producción de productos agrícolas o farmacéuticos. Los animales genéticamente modificados incluyen animales con genes eliminados , mayor susceptibilidad a enfermedades , hormonas para un crecimiento adicional y la capacidad de expresar proteínas en su leche. [86]

Medicamento

La ingeniería genética tiene muchas aplicaciones en la medicina, que incluyen la fabricación de fármacos, la creación de animales modelo que imitan las condiciones humanas y la terapia génica . Uno de los primeros usos de la ingeniería genética fue la producción masiva de insulina humana en bacterias. [33] Esta aplicación se ha aplicado ahora a las hormonas de crecimiento humanas , las hormonas folículo estimulantes (para tratar la infertilidad), la albúmina humana , los anticuerpos monoclonales , los factores antihemofílicos , las vacunas y muchos otros fármacos. [87] [88] Los hibridomas de ratón , células fusionadas para crear anticuerpos monoclonales , se han adaptado mediante ingeniería genética para crear anticuerpos monoclonales humanos. [89] Se están desarrollando virus modificados genéticamente que aún pueden conferir inmunidad, pero carecen de las secuencias infecciosas . [90]

La ingeniería genética también se utiliza para crear modelos animales de enfermedades humanas. Los ratones modificados genéticamente son el modelo animal más común. [91] Se han utilizado para estudiar y modelar el cáncer (el oncófago ), la obesidad, las enfermedades cardíacas, la diabetes, la artritis, el abuso de sustancias, la ansiedad, el envejecimiento y la enfermedad de Parkinson. [92] Se pueden probar posibles curas en estos modelos de ratón.

La terapia génica es la ingeniería genética de los seres humanos , generalmente mediante la sustitución de genes defectuosos por otros eficaces. Se han llevado a cabo investigaciones clínicas con terapia génica somática en varias enfermedades, entre ellas la SCID ligada al cromosoma X , [93] la leucemia linfocítica crónica (LLC), [94] [95] y la enfermedad de Parkinson . [96] En 2012, Alipogene tiparvovec se convirtió en el primer tratamiento de terapia génica aprobado para uso clínico. [97] [98] En 2015 se utilizó un virus para insertar un gen sano en las células de la piel de un niño que sufría una enfermedad cutánea poco común, la epidermólisis ampollosa , con el fin de hacer crecer y luego injertar piel sana en el 80 por ciento del cuerpo del niño que estaba afectado por la enfermedad. [99]

La terapia génica de la línea germinal daría como resultado que cualquier cambio fuera hereditario, lo que ha generado inquietudes dentro de la comunidad científica. [100] [101] En 2015, CRISPR se utilizó para editar el ADN de embriones humanos no viables , [102] [103] lo que llevó a los científicos de las principales academias del mundo a pedir una moratoria sobre las ediciones hereditarias del genoma humano. [104] También existe la preocupación de que la tecnología podría usarse no solo para el tratamiento, sino para la mejora, modificación o alteración de la apariencia, adaptabilidad, inteligencia, carácter o comportamiento de un ser humano. [105] La distinción entre cura y mejora también puede ser difícil de establecer. [106] En noviembre de 2018, He Jiankui anunció que había editado los genomas de dos embriones humanos, para intentar desactivar el gen CCR5 , que codifica un receptor que el VIH usa para ingresar a las células. El trabajo fue ampliamente condenado como poco ético, peligroso y prematuro. [107] Actualmente, la modificación de la línea germinal está prohibida en 40 países. Los científicos que realizan este tipo de investigación a menudo dejan que los embriones crezcan durante unos días sin permitir que se conviertan en un bebé. [108]

Los investigadores están alterando el genoma de los cerdos para inducir el crecimiento de órganos humanos, con el objetivo de aumentar el éxito del trasplante de órganos de cerdos a humanos . [109] Los científicos están creando "impulsores genéticos", cambiando los genomas de los mosquitos para hacerlos inmunes a la malaria, y luego buscando propagar los mosquitos genéticamente alterados en toda la población de mosquitos con la esperanza de eliminar la enfermedad. [110]

Investigación

Ratones knock out
Células humanas en las que algunas proteínas se fusionan con proteína fluorescente verde para permitir su visualización.

La ingeniería genética es una herramienta importante para los científicos naturales , siendo la creación de organismos transgénicos una de las herramientas más importantes para el análisis de la función genética. [111] Los genes y otra información genética de una amplia gama de organismos se pueden insertar en bacterias para su almacenamiento y modificación, creando bacterias genéticamente modificadas en el proceso. Las bacterias son baratas, fáciles de cultivar, clonales , se multiplican rápidamente, son relativamente fáciles de transformar y se pueden almacenar a -80 °C casi indefinidamente. Una vez que se aísla un gen, se puede almacenar dentro de la bacteria, lo que proporciona un suministro ilimitado para la investigación. [112]

Los organismos se modifican genéticamente para descubrir las funciones de ciertos genes. Esto podría ser el efecto sobre el fenotipo del organismo, dónde se expresa el gen o con qué otros genes interactúa. Estos experimentos generalmente implican pérdida de función, ganancia de función, seguimiento y expresión.

  • Experimentos de pérdida de función , como en un experimento de knockout genético , en el que se modifica un organismo para que carezca de la actividad de uno o más genes. En un knockout simple, se ha alterado una copia del gen deseado para que no sea funcional. Las células madre embrionarias incorporan el gen alterado, que reemplaza la copia funcional ya presente. Estas células madre se inyectan en blastocistos , que se implantan en madres sustitutas. Esto permite al experimentador analizar los defectos causados ​​por esta mutación y, por lo tanto, determinar el papel de genes particulares. Se utiliza con especial frecuencia en biología del desarrollo . [113] Cuando esto se hace creando una biblioteca de genes con mutaciones puntuales en cada posición en el área de interés, o incluso en cada posición en todo el gen, esto se llama "mutagénesis de escaneo". El método más simple, y el primero en usarse, es el "escaneo de alanina", donde cada posición a su vez se muta al aminoácido no reactivo alanina . [114]
  • Experimentos de ganancia de función , la contraparte lógica de los knockouts. A veces se realizan junto con experimentos de knockout para establecer con mayor precisión la función del gen deseado. El proceso es muy similar al de la ingeniería de knockout, excepto que la construcción está diseñada para aumentar la función del gen, generalmente proporcionando copias adicionales del gen o induciendo la síntesis de la proteína con mayor frecuencia. La ganancia de función se utiliza para determinar si una proteína es suficiente o no para una función, pero no siempre significa que sea necesaria, especialmente cuando se trata de redundancia genética o funcional. [113]
  • Experimentos de seguimiento , que buscan obtener información sobre la localización e interacción de la proteína deseada. Una forma de hacerlo es reemplazar el gen de tipo salvaje con un gen de "fusión", que es una yuxtaposición del gen de tipo salvaje con un elemento indicador como la proteína fluorescente verde (GFP) que permitirá una fácil visualización de los productos de la modificación genética. Si bien esta es una técnica útil, la manipulación puede destruir la función del gen, creando efectos secundarios y posiblemente poniendo en tela de juicio los resultados del experimento. Actualmente se están desarrollando técnicas más sofisticadas que pueden rastrear productos proteicos sin mitigar su función, como la adición de pequeñas secuencias que servirán como motivos de unión a los anticuerpos monoclonales. [113]
  • Los estudios de expresión tienen como objetivo descubrir dónde y cuándo se producen proteínas específicas. En estos experimentos, la secuencia de ADN anterior al ADN que codifica una proteína, conocida como promotor de un gen , se reintroduce en un organismo con la región codificante de la proteína reemplazada por un gen reportero como GFP o una enzima que cataliza la producción de un colorante. De este modo, se puede observar el momento y el lugar en el que se produce una proteína en particular. Los estudios de expresión pueden llevarse un paso más allá alterando el promotor para encontrar qué partes son cruciales para la expresión adecuada del gen y están realmente unidas por proteínas de factores de transcripción; este proceso se conoce como ataque al promotor . [115]

Industrial

Los organismos pueden tener sus células transformadas con un gen que codifique una proteína útil, como una enzima, para que sobreexpresen la proteína deseada. Luego, se pueden fabricar cantidades masivas de la proteína cultivando el organismo transformado en un equipo de biorreactor utilizando fermentación industrial y luego purificando la proteína. [116] Algunos genes no funcionan bien en bacterias, por lo que también se pueden utilizar levaduras, células de insectos o células de mamíferos. [117] Estas técnicas se utilizan para producir medicamentos como insulina , hormona de crecimiento humana y vacunas , suplementos como el triptófano , ayuda en la producción de alimentos ( quimosina en la fabricación de queso) y combustibles. [118] Otras aplicaciones con bacterias modificadas genéticamente podrían implicar hacer que realicen tareas fuera de su ciclo natural, como fabricar biocombustibles , [119] limpiar derrames de petróleo, carbono y otros desechos tóxicos [120] y detectar arsénico en el agua potable. [121] Ciertos microbios modificados genéticamente también pueden utilizarse en la biominería y la biorremediación , debido a su capacidad de extraer metales pesados ​​de su entorno e incorporarlos en compuestos que son más fácilmente recuperables. [122]

En la ciencia de los materiales , se ha utilizado un virus modificado genéticamente en un laboratorio de investigación como andamio para ensamblar una batería de iones de litio más respetuosa con el medio ambiente . [123] [124] También se han diseñado bacterias para que funcionen como sensores expresando una proteína fluorescente en determinadas condiciones ambientales. [125]

Agricultura

Las toxinas Bt presentes en las hojas del maní (imagen inferior) lo protegen de los daños extensos causados ​​por las larvas del barrenador del tallo del maíz (imagen superior). [126]

Una de las aplicaciones más conocidas y controvertidas de la ingeniería genética es la creación y el uso de cultivos o ganado modificados genéticamente para producir alimentos modificados genéticamente . Los cultivos se han desarrollado para aumentar la producción, aumentar la tolerancia a los estreses abióticos , alterar la composición de los alimentos o producir productos novedosos. [127]

Los primeros cultivos que se lanzaron comercialmente a gran escala proporcionaron protección contra plagas de insectos o tolerancia a herbicidas . También se han desarrollado o están en desarrollo cultivos resistentes a hongos y virus. [128] [129] Esto hace que el manejo de insectos y malezas de los cultivos sea más fácil y puede aumentar indirectamente el rendimiento de los cultivos. [130] [131] También se están desarrollando cultivos GM que mejoran directamente el rendimiento al acelerar el crecimiento o hacer que la planta sea más resistente (al mejorar la tolerancia a la sal, el frío o la sequía). [132] En 2016, el salmón se modificó genéticamente con hormonas de crecimiento para alcanzar el tamaño adulto normal mucho más rápido. [133]

Se han desarrollado OGM que modifican la calidad de los productos aumentando el valor nutricional o proporcionando cualidades o cantidades más útiles para la industria. [132] La papa Amflora produce una mezcla de almidones más útil para la industria. La soja y la canola han sido modificadas genéticamente para producir aceites más saludables. [134] [135] El primer alimento transgénico comercializado fue un tomate que tenía una maduración retrasada, lo que aumentaba su vida útil . [136]

Se han modificado genéticamente plantas y animales para que produzcan sustancias que normalmente no producen. La industria farmacéutica utiliza cultivos y animales como biorreactores para producir vacunas, intermediarios de fármacos o los propios fármacos; el producto útil se purifica a partir de la cosecha y luego se utiliza en el proceso estándar de producción farmacéutica. [137] Se han modificado genéticamente vacas y cabras para que expresen fármacos y otras proteínas en su leche, y en 2009 la FDA aprobó un fármaco producido en leche de cabra. [138] [139]

Otras aplicaciones

La ingeniería genética tiene aplicaciones potenciales en la conservación y la gestión de áreas naturales. La transferencia de genes a través de vectores virales se ha propuesto como un medio para controlar especies invasoras, así como para vacunar a la fauna amenazada contra enfermedades. [140] Se ha sugerido que los árboles transgénicos son una forma de conferir resistencia a los patógenos en las poblaciones silvestres. [141] Con los crecientes riesgos de mala adaptación en los organismos como resultado del cambio climático y otras perturbaciones, la adaptación facilitada a través de la modificación de genes podría ser una solución para reducir los riesgos de extinción. [142] Las aplicaciones de la ingeniería genética en la conservación son hasta ahora en su mayoría teóricas y aún deben ponerse en práctica.

La ingeniería genética también se está utilizando para crear arte microbiano . [143] Algunas bacterias han sido modificadas genéticamente para crear fotografías en blanco y negro. [144] Artículos novedosos como claveles de color lavanda , [145] rosas azules , [146] y peces brillantes , [147] [148] también se han producido mediante ingeniería genética.

Regulación

La regulación de la ingeniería genética se refiere a los enfoques adoptados por los gobiernos para evaluar y gestionar los riesgos asociados con el desarrollo y la liberación de OGM. El desarrollo de un marco regulatorio comenzó en 1975, en Asilomar , California. [149] La reunión de Asilomar recomendó un conjunto de directrices voluntarias con respecto al uso de tecnología recombinante. [31] A medida que la tecnología mejoraba, los EE. UU. establecieron un comité en la Oficina de Ciencia y Tecnología , [150] que asignó la aprobación regulatoria de los alimentos GM al USDA, la FDA y la EPA. [151] El Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad , un tratado internacional que rige la transferencia, manipulación y uso de OGM, [152] fue adoptado el 29 de enero de 2000. [153] Ciento cincuenta y siete países son miembros del Protocolo, y muchos lo utilizan como punto de referencia para sus propias regulaciones. [154]

El estatus legal y regulatorio de los alimentos GM varía según el país, con algunas naciones prohibiéndolos o restringiéndolos, y otras permitiéndolos con grados muy diferentes de regulación. [155] [156] [157] [158] Algunos países permiten la importación de alimentos GM con autorización, pero no permiten su cultivo (Rusia, Noruega, Israel) o tienen disposiciones para el cultivo aunque todavía no se produzcan productos GM (Japón, Corea del Sur). La mayoría de los países que no permiten el cultivo de GMO permiten la investigación. [159] Algunas de las diferencias más marcadas ocurren entre los EE. UU. y Europa. La política de EE. UU. se centra en el producto (no en el proceso), solo considera los riesgos científicos verificables y utiliza el concepto de equivalencia sustancial . [160] La Unión Europea , por el contrario, tiene posiblemente las regulaciones de GMO más estrictas del mundo. [161] Todos los GMO, junto con los alimentos irradiados , se consideran "nuevos alimentos" y están sujetos a una evaluación alimentaria exhaustiva, caso por caso, basada en la ciencia por parte de la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria . Los criterios de autorización se dividen en cuatro grandes categorías: “seguridad”, “libertad de elección”, “etiquetado” y “trazabilidad”. [162] El nivel de regulación en otros países que cultivan OGM se sitúa entre Europa y Estados Unidos.

Agencias reguladoras por región geográfica
RegiónReguladoresNotas
A NOSOTROSUSDA , FDA y EPA [151]
EuropaAutoridad Europea de Seguridad Alimentaria [162]
CanadáSalud Canadá y la Agencia Canadiense de Inspección de Alimentos [163] [164]Productos regulados con características novedosas independientemente del método de origen [165] [166]
ÁfricaMercado Común para África Oriental y Meridional [167]La decisión final corresponde a cada país individualmente. [167]
PorcelanaOficina de Administración de Bioseguridad de Ingeniería Genética Agrícola [168]
IndiaComité Institucional de Bioseguridad, Comité de Revisión de Manipulación Genética y Comité de Aprobación de Ingeniería Genética [169]
ArgentinaComité Asesor Nacional de Biotecnología Agropecuaria (impacto ambiental), Servicio Nacional de Sanidad y Calidad Agroalimentaria (inocuidad alimentaria) y Dirección Nacional de Agronegocios (efecto sobre el comercio) [170]Decisión final la toma la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación. [170]
BrasilComisión Técnica Nacional de Bioseguridad (seguridad ambiental y alimentaria) y Consejo de Ministros (temas comerciales y económicos) [170]
AustraliaOficina del Regulador de Tecnología Genética (supervisa todos los productos transgénicos), Administración de Productos Terapéuticos (medicamentos transgénicos) y Normas Alimentarias de Australia y Nueva Zelanda (alimentos transgénicos). [171] [172]Los gobiernos estatales individuales pueden entonces evaluar el impacto de la liberación en los mercados y el comercio y aplicar legislación adicional para controlar los productos genéticamente modificados aprobados. [172]

Una de las cuestiones clave que preocupa a los reguladores es si los productos transgénicos deben estar etiquetados. La Comisión Europea dice que el etiquetado obligatorio y la trazabilidad son necesarios para permitir una elección informada, evitar una posible publicidad engañosa [173] y facilitar la retirada de productos si se descubren efectos adversos para la salud o el medio ambiente [174] . La Asociación Médica Estadounidense [175] y la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia [176] dicen que, en ausencia de evidencia científica de daño, incluso el etiquetado voluntario es engañoso y alarmará falsamente a los consumidores. El etiquetado de los productos transgénicos en el mercado es obligatorio en 64 países [177] . El etiquetado puede ser obligatorio hasta un nivel de contenido de transgénicos umbral (que varía entre países) o voluntario. En Canadá y los EE. UU., el etiquetado de los alimentos transgénicos es voluntario [178], mientras que en Europa todos los alimentos (incluidos los alimentos procesados ) o piensos que contengan más del 0,9% de transgénicos aprobados deben estar etiquetados [161] .

Controversia

Los críticos han objetado el uso de la ingeniería genética por diversos motivos, entre ellos, preocupaciones éticas, ecológicas y económicas. Muchas de estas preocupaciones tienen que ver con los cultivos transgénicos y con la seguridad de los alimentos producidos a partir de ellos y el impacto que su cultivo tendrá en el medio ambiente. Estas controversias han dado lugar a litigios, disputas comerciales internacionales y protestas, así como a una reglamentación restrictiva de los productos comerciales en algunos países. [179]

Desde el principio se han atribuido a esta tecnología acusaciones de que los científicos están " jugando a ser Dios " y otras cuestiones religiosas . [180] Otras cuestiones éticas planteadas incluyen la patente de la vida , [181] el uso de los derechos de propiedad intelectual , [182] el nivel de etiquetado de los productos, [183] ​​[184] el control del suministro de alimentos [185] y la objetividad del proceso regulatorio. [186] Aunque se han planteado dudas, [187] económicamente la mayoría de los estudios han encontrado que el cultivo de cultivos transgénicos es beneficioso para los agricultores. [188] [189] [190]

El flujo de genes entre cultivos GM y plantas compatibles, junto con el uso creciente de herbicidas selectivos , puede aumentar el riesgo de desarrollo de " supermalezas ". [191] Otras preocupaciones ambientales involucran impactos potenciales sobre organismos no objetivo, incluyendo microbios del suelo , [192] y un aumento en plagas de insectos secundarias y resistentes. [193] [194] Muchos de los impactos ambientales relacionados con los cultivos GM pueden tardar muchos años en ser comprendidos y también son evidentes en las prácticas agrícolas convencionales. [192] [195] Con la comercialización de peces genéticamente modificados existen preocupaciones sobre cuáles serán las consecuencias ambientales si escapan. [196]

Existen tres preocupaciones principales sobre la seguridad de los alimentos modificados genéticamente: si pueden provocar una reacción alérgica ; si los genes podrían transferirse de los alimentos a las células humanas; y si los genes no aprobados para el consumo humano podrían cruzarse con otros cultivos. [197] Existe un consenso científico [198] [199] [200] [201] de que los alimentos actualmente disponibles derivados de cultivos modificados genéticamente no plantean un riesgo mayor para la salud humana que los alimentos convencionales, [202] [203] [204] [205] [206] pero que cada alimento modificado genéticamente debe probarse caso por caso antes de su introducción. [207] [208] [209] No obstante, los miembros del público tienen menos probabilidades que los científicos de percibir los alimentos modificados genéticamente como seguros. [210] [211] [212] [213]

La ingeniería genética aparece en muchas historias de ciencia ficción . [214] La novela de Frank Herbert La plaga blanca describe el uso deliberado de la ingeniería genética para crear un patógeno que mata específicamente a las mujeres. [214] Otra de las creaciones de Herbert, la serie de novelas Dune , utiliza la ingeniería genética para crear a los poderosos tleilaxu . [215] Pocas películas han informado al público sobre la ingeniería genética, con la excepción de Los muchachos del Brasil de 1978 y Parque Jurásico de 1993 , las cuales hacen uso de una lección, una demostración y un clip de película científica. [216] [217] Los métodos de ingeniería genética están débilmente representados en el cine; Michael Clark, escribiendo para el Wellcome Trust , llama a la representación de la ingeniería genética y la biotecnología "seriamente distorsionada" [217] en películas como El sexto día . En opinión de Clark, la biotecnología suele "ser presentada en formas fantásticas pero visualmente impactantes", mientras que la ciencia queda relegada a un segundo plano o se convierte en ficción para adaptarse a un público joven. [217]

Véase también

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  201. ^ Pero véase también: Domingo JL, Giné Bordonaba J (mayo de 2011). "Una revisión de la literatura sobre la evaluación de la seguridad de las plantas genéticamente modificadas". Environment International . 37 (4): 734–42. Bibcode :2011EnInt..37..734D. doi :10.1016/j.envint.2011.01.003. PMID  21296423. A pesar de ello, el número de estudios centrados específicamente en la evaluación de la seguridad de las plantas GM es todavía limitado. Sin embargo, es importante destacar que por primera vez se observó un cierto equilibrio en el número de grupos de investigación que sugieren, sobre la base de sus estudios, que varias variedades de productos GM (principalmente maíz y soja) son tan seguras y nutritivas como las respectivas plantas convencionales no GM, y aquellos que aún plantean serias preocupaciones. Además, cabe mencionar que la mayoría de los estudios que demuestran que los alimentos transgénicos son tan nutritivos y seguros como los obtenidos mediante mejoramiento convencional, han sido realizados por empresas biotecnológicas o asociadas, que también se encargan de comercializar estas plantas transgénicas. De todas formas, esto representa un avance notable en comparación con la falta de estudios publicados en los últimos años en revistas científicas por dichas empresas.Krimsky S (2015). "Un consenso ilusorio detrás de la evaluación de la salud de los OGM" (PDF) . Science, Technology, & Human Values ​​. 40 (6): 883–914. doi :10.1177/0162243915598381. S2CID  40855100. Archivado desde el original (PDF) el 7 de febrero de 2016 . Consultado el 30 de octubre de 2016 . Comencé este artículo con los testimonios de científicos respetados que afirman que literalmente no existe controversia científica sobre los efectos de los OGM en la salud. Mi investigación de la literatura científica cuenta otra historia.Y contraste: Panchin AY, Tuzhikov AI (marzo de 2017). "Los estudios de OGM publicados no encuentran evidencia de daño cuando se corrigen para comparaciones múltiples". Critical Reviews in Biotechnology . 37 (2): 213–217. doi :10.3109/07388551.2015.1130684. PMID  26767435. S2CID  11786594. Aquí, mostramos que una serie de artículos, algunos de los cuales han influido fuerte y negativamente en la opinión pública sobre los cultivos transgénicos e incluso han provocado acciones políticas, como el embargo de OGM, comparten fallas comunes en la evaluación estadística de los datos. Habiendo tenido en cuenta estas fallas, concluimos que los datos presentados en estos artículos no proporcionan ninguna evidencia sustancial de daño de OGM. Los artículos presentados que sugieren un posible daño de los OGM recibieron una gran atención pública. Sin embargo, a pesar de sus afirmaciones, en realidad debilitan la evidencia del daño y la falta de equivalencia sustancial de los OGM estudiados. Destacamos que con más de 1.783 artículos publicados sobre OGM en los últimos 10 años, es de esperar que algunos de ellos hayan reportado diferencias no deseadas entre los OGM y los cultivos convencionales, incluso si tales diferencias no existen en la realidad.y Yang YT, Chen B (abril de 2016). "Governing GMOs in the USA: science, law and public health". Journal of the Science of Food and Agriculture . 96 (6): 1851–5. Bibcode :2016JSFA...96.1851Y. doi :10.1002/jsfa.7523. PMID  26536836. Por lo tanto, no es sorprendente que los esfuerzos para exigir el etiquetado y prohibir los OGM hayan sido un problema político creciente en los EE. UU. (citando a Domingo y Bordonaba, 2011) . En general, un amplio consenso científico sostiene que los alimentos transgénicos comercializados actualmente no plantean un riesgo mayor que los alimentos convencionales... Las principales asociaciones científicas y médicas nacionales e internacionales han declarado que hasta la fecha no se han informado ni corroborado efectos adversos para la salud humana relacionados con los alimentos transgénicos en la literatura revisada por pares. A pesar de las diversas preocupaciones, hoy en día, la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia, la Organización Mundial de la Salud y muchas organizaciones científicas internacionales independientes coinciden en que los OGM son tan seguros como otros alimentos. En comparación con las técnicas de cultivo convencionales, la ingeniería genética es mucho más precisa y, en la mayoría de los casos, es menos probable que genere un resultado inesperado.
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