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Cuaderno Nº 20  

La genética y su relación con la biotecnología
  El desarrollo de la biotecnología moderna, entendida como el conjunto de técnicas de ADN recombinante que pueden aplicarse para obtener un producto o beneficio para el hombre, fue posible por el avance que se produjo en el conocimiento de la genética en el siglo XX. Cuando se habla de vacunas de nueva generación, de enzimas recombinantes o de cultivos transgénicos, se trata de productos en los cuales se ha utilizado la información genética de los organismos para diseñar el producto final. Por esto, se considera a la genética como una de las ciencias básicas sobre las que se asientan los desarrollos biotecnológicos.
La genética es, básicamente, el estudio de los genes, la herencia y sus mecanismos (ver Cuadernos Nº 3 y 32). La genética fue utilizada empíricamente a lo largo de la historia para obtener mejores especies animales y vegetales que respondieran a los intereses humanos. Estas aplicaciones dejaron de ser empíricas a partir del desarrollo de las Leyes de Mendel, a fines del siglo XIX, y de su redescubrimiento a principios del siglo XX (ver Cuadernos Nº 40, 41).
Durante la segunda mitad del siglo XX se avanzó en la base biológica y molecular de los mecanismos de la herencia, con la asociación de los cromosomas con la información genética, y con el advenimiento de la biología molecular luego del descubrimiento de la estructura del ADN por Watson y Crick en la década de 1950 (ver Cuaderno Nº 65). Dos décadas más tarde, la genética clásica y molecular dieron lugar a la ingeniería genética (ver Cuaderno Nº 4), cuando se logró obtener construcciones de ADN recombinante usando principalmente enzimas de restricción y ligasas (ver Cuaderno Nº 30 y 34). Así, en la biotecnología moderna están presentes la genética clásica, la citogenética, la genética molecular, la genética de poblaciones y la ingeniería genética, entre otras (ver Cuadernos Nº 40, 41, 67).
El paso desde las construcciones genéticas a la aparición del primer producto biotecnológico en el mercado en la década de 1980, fue posible por la asociación de científicos y empresarios, que entendieron a la ciencia como un bien común sobre el cual se basa una sociedad para progresar.

La genética clásica: de Mendel a la biotecnología

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

La genética mendeliana


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

Genética mendeliana y biotecnología

La genética mendeliana se aplica en la actualidad al realizar proyectos de biotecnología. Por ejemplo, antes de poner en práctica las técnicas de biología molecular para clonar un gen (ver Cuaderno Nº 67), se debe saber si la característica biológica que se quiere buscar está codificada por un solo gen. Para verificarlo, se parte de progenitores con caracteres contrastantes (por ejemplo, resistentes y susceptibles a un patógeno) y se analiza la proporción de descendientes en las dos generaciones siguientes (F1 y F2) de modo tal que si cumple la primera Ley de Mendel, se puede determinar que existe un gen para la característica de interés. También se aplica esta misma ley para resolver cruzamientos de prueba, cuando se quiere conocer el genotipo de un individuo para un gen dado, o cuando se quiere saber cuál de las formas de una característica es la dominante y cuál la recesiva. También se aplica genética mendeliana cuando se quiere saber si dos características están codificadas por genes independientes entre sí, para lo cual se realizan cruzamientos llamados dihíbridos (ver Cuaderno Nº 41). Además de estas aplicaciones de genética mendeliana a priori de un proyecto biotecnológico, se deben realizar análisis genéticos luego de obtener una planta o animal transgénico, de modo de demostrar si el transgén insertado sigue un patrón de herencia estable tipo mendeliano, acorde con lo demandado por los organismos reguladores de biotecnología en los distintos países (ver Cuaderno Nº 62).

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

los genes se encuentran en pares al igual que los cromosomas;
los alelos (o variantes de un gen dado) segregan igualitariamente en las gametas (al igual que los  miembros  de un par de cromosomas homólogos);
genes diferentes actúan independientemente (al igual que pares cromosómicos distintos).



Citogenética y biotecnología

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


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

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


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

La genética molecular: de Watson y Crick a la biotecnología


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

Genética molecular y biotecnología

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

Ingeniería Genética

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

Ingeniería genética y biotecnología

Siempre que se habla de biotecnología moderna o de ADN recombinante se hace referencia a la ingeniería genética, ya que esta disciplina provee las técnicas y herramientas para el desarrollo de la construcción de ADN de interés industrial. Así, por ejemplo, todas las enzimas producidas en forma recombinante (ver Cuadernos Nº 49, 54 y 73), los fármacos y las vacunas recombinantes (Cuadernos Nº 21, 51 y71), las plantas transgénicas (ver Cuadernos Nº 2, 18, 28, entre otros) y los animales transgénicos (Cuadernos Nº 9 y 47) son productos biotecnológicos donde la ingeniería genética fue una herramienta fundamental para su desarrollo. Otros ejemplos son el gen de la insulina humana con un promotor bacteriano para que la hormona se produzca en bacterias, el gen de tolerancia al herbicida glifosato (gen epsps) con un promotor vegetal para que funcione en la soja, maíz y algodón transgénicos (variedades RR, ver Cuadernos Nº 43 y 44), el gen de la hormona de crecimiento humano con un promotor de glándula mamaria bovina para que la hormona se produzca en la leche de la vaca (ver Cuaderno Nº 47), etc.
El desarrollo de la biotecnología moderna está íntimamente ligado con todas las ramas de la genética desde sus inicios. Desde el poder entender cuáles son las unidades responsables de transmitir la herencia, hasta el poder transformarlas para el mejor aprovechamiento por el hombre.
 
 

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