biologia molecular en la medicina
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ÍNDICE PÁGINA
Capítulo 1 Historia De La Biología Molecular
1 Historia De La Biología Molecular…………………………………..…………..….…1-2
Capítulo 2 Historia De La Biotecnología Y Sus Aplicaciones
2 Historia De La Biotecnología………………………………………………………....…2-4
2.1 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…………………………………………….……..8-9
Capítulo 3 Aplicaciones De La Biología Molecular En Medicina
3 Aplicaciones De La Biología Molecular En Medicina…………………….…………9-11
3.1 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
3.1.6 Medicina De ARN….…………………………………………………………..17-20
3.1.7 Ingeniería De Proteínas………………………………………………………..20-22
Capítulo 4 Conclusiones
4 Conclusiones Científicas……………………………………………………………....22-24
4.1 Conclusiones Del Autor……………………………………………………………...24
Capítulo 5 Referencias
5 Referencias Consultadas………………………………………………………………25
Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas
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Fig. 1 Watson y Crick con su
modelo del ADN.
Fig. 2 Gregor Mendel experimentó
con chicharos, teniendo las primeras
nociones sobre herencia genética.
INTRODUCCION
Historia de la biología molecular
La biología molecular nace formalmente en
1953, con la publicación del modelo estructural del
ácido desoxirribonucleico ADN o, de manera
universal, DNA por sus siglas en inglés propuesto
por James Watson, Maurice Wilkins, Rosalind
Franklin y Francis Crick. En ese entonces también se
fraguaba, de manera por demás importante, el
concepto de que la biología obedecía a fenómenos
físicos y químicos cuantificables; esto es, que la
biología no era meramente una disciplina descriptiva sino también cuantitativa.
Es así que el inicio de la biología molecular fue influido en gran medida por los
físicos, destacando Max Delbruck, quien se dedicó a la genética después de una
trayectoria en la física teórica y quien estimuló a otro físico, Erwin Schrodinger, a
escribir 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 los
mecanismos que controlan las características observables
de los seres vivos, o sea, el fenotipo.
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1 Morris, M.S.1989.Historia de la biotecnología. Ciencia y desarrollo.
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 Douzou
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separa a la biotecnología en tres etapas: la primera la considera empírica y es cuando la
biotecnología nace con el establecimiento de las sociedades humanas y su necesidad de
desarrollar organismos que le permitieran mantener asegurada la alimentación, la
industria y lograr su expansión territorial.
Una segunda etapa importante referida como la de transición se presenta con la
intervención de la Ciencia y la Técnica en el desarrollo de industrias biotecnológicas que
contribuyen al desarrollo de los grandes imperios. Y la tercer etapa se da con el
nacimiento de la biotecnología moderna se da con la conjunción de dos situaciones
relevantes: la primera, es la aparición de la biología molecular, disciplina que permitió
descifrar en los años cincuenta la estructura del DNA, material genético de los seres
vivos y los genes que lo conforman, así como de los mecanismos para traducir la
información genética que se localiza en el DNA, en proteínas. Este conjunto de
conocimientos permite hoy en día, tener una precisa imagen a nivel subcelular del
funcionamiento de la célula viva. La segunda situación de la biología molecular es la
concientización de que la ciencia se transforma a un tipo de actividad mucho más
multidisciplinaria dándose la convergencia de varias estrategias, conocimientos y
herramientas, vislumbrando el éxito para solucionar problemas científicos y sociales.
Todo el conocimiento de frontera que genera la biotecnología moderna se basa en
los esfuerzos de la biología molecular, bioquímica, ingeniería bioquímica, biología
celular, microbiología, inmunología, genética, etcétera, permitiendo el estudio integral y
la manipulación genética de los sistemas biológicos (microorganismos, plantas,
animales, hombre, entre otros), y a través de ello la utilización inteligente y respetuosa
de la biodiversidad para permitir el desarrollo de tecnología eficiente, limpia y
competitiva que, a su vez, facilite la solución de problemas importantes, en campos tales
como el de la salud, agropecuario, industrial, y tratamiento de la contaminación
ambiental, a través de diseñar, ejecutar y evaluar programas para guiar la acción
humana hacia la conservación y el uso sustentable de la biodiversidad.
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2 Soberón, X. et al .1998.Biotecnología moderna en México: áreas estratégicas. Obra Científica. Trabajos seleccionados de divulgación científica. Tomo III.
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.
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Existen diferentes campos de aplicación de la biotecnología, estos campos se
aplican 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 varios
microorganismos, y están en desarrollo otros edulcorantes de naturaleza proteica.
Pero los microorganismos no sólo contribuyen a la conservación de los alimentos
o darles sabor, los propios microorganismos son comestibles, se trata de la proteína
unicelular consumida como alimento por humanos y es producida por el hongo
Fusarium, que contiene el 45% de proteínas y 13% de grasas y es elaborada por la
empresa inglesa Rank Horis McDougall.
Sector Agropecuario
La domesticación de plantas para uso agrícola fue un proceso de largo plazo que
tuvo profundas consecuencias evolutivas en muchas especies. Actualmente la
biotecnología moderna ofrece sistemas radicalmente novedosos para alterar o modificar
las propiedades genéticas de los organismos en una forma totalmente dirigida. La
tecnología de modificación genética nació en la década de los70 y uno de sus avances
más notorios, fue la creación de nuevas variedades de plantas agrícolas transgénicas.
También este enfoque hace posible el mejoramiento genético de plantas
resistentes a enfermedades, insectos y a condiciones ambientales adversas (sequía,
heladas, etcétera) y, además se puede reducir el uso de agroquímicos, fertilizantes y
pesticidas. Gracias a los avances de la biotecnología moderna y junto con las
investigaciones agropecuarias “tradicionales” se han identificado genes que son
importantes para la agricultura, el desarrollo de técnicas para el cultivo de células,
regeneración de plantas y manejo de embriones.
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Sector pecuario
La biotecnología moderna ha contribuido a la generación de animales con un
crecimiento 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 utilización
de 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 de
sustancias potencialmente carcinógenas y para estudios fundamentales del cáncer,
también se han obtenido animales transgénicos que sean tolerantes a enfermedades
virales por expresar proteínas virales que les permitan una protección cruzada.
Sector Salud
Cualquiera que haya sido el curso de la historia, la biotecnología nació como
industria ante la presión de la demanda de antibióticos durante la segunda guerra
mundial (Merck, Pfizer y Squibb). A partir de entonces se diseñaron estrategias para
mejorar genéticamente las cepas microbianas industriales para que hoy en día se
puedan obtener una gran variedad de compuestos terapéuticos como: aminoácidos,
vitaminas, vacunas, etcétera. se considera que en el sector salud es donde se ubican los
impactos más importantes de la aplicación de la ingeniería genética.
Vacunas
Las nuevas vacunas de ADN o ARN emergen como una vía importante de
terapia por las posibilidades de inmunización que ofrecen contra “ciertas enfermedades.
Las vacunas genéticas o de ADN son totalmente diferentes de las tradicionales en su
estructura. Las más estudiadas son los plásmidos, es decir, pequeños anillos de ADN
proveniente de una bacteria. Los plásmidos usados para vacunar han sido alterados
para portar genes específicos de uno o más antígenos, proteínas fabricadas por los
agentes patógenos y que tienen la capacidad de “despertar” al sistema inmunitario de
nuestro organismo, con una gran ventaja: gracias a su manipulación, han perdido los
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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.
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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 y
4 Tusié, T.L. y A.G. López. 2000. Proyecto Genoma Humano: perspectivas y retos. Muy interesante.
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de suelos contaminados con productos del petróleo, utilizando bacterias del grupo
pseudomonas que son capaces de “alimentarse” de petróleo.
La lixiviación bacteriana está siendo exitosamente utilizada en muchos países del
mundo para recuperar metales de una gran variedad de menas. Los principales metales
recuperados son cobre y uranio, pero también se obtienen cobalto, níquel, zinc, plomo y
oro. También las plantas modificadas genéticamente han demostrado ser útiles en
fitoremediación para la descontaminación de suelos que contienen metales pesados y
otras sustancias tóxicas.
DESARROLLO
Aplicaciones de la biología molecular en medicina
La medicina molecular, la medicina genómica, la Farmacogenómica el
diagnóstico molecular y la terapia génica han sido el resultado del impacto de la
biología molecular en las ciencias médicas. Estas áreas de la investigación biomédica
han permitido el avance en el conocimiento de la patogenia de los padecimientos
humanos, el desarrollo de novedosas estrategias terapéuticas (como es el caso de la
medicina del RNA), el mejoramiento de tratamientos farmacológicos y la
implementación de métodos diagnósticos precisos.
La medicina molecular es la ciencia biomédica que utiliza las técnicas de la
biología molecular en el estudio de las enfermedades humanas.
Las células son las unidades funcionales de cualquier organismo vivo. Las
instrucciones necesarias para dirigir sus actividades están contenidas en los cromosomas
del núcleo celular y son conocidas en su conjunto como información genética. La
información genética se encuentra almacenada en el acido desoxirribonucleico (DNA)
en forma de un código, denominado código genético. Un segmento de DNA de
localización cromosómica precisa que contiene el código para un producto (proteína o
RNA) de función definida se denomina gen. La información del gen es transferida a los
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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.
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
cerca de 3,200 millones de nucleótidos del
Fig. 3 Dogma central de la biología Molecular 5
Fig. 4 La incorporación de la biología molecular a la medicina ha sido impulsada por el avance tecnológico y la Comprensión de la información genética producidos por el
Proyecto Genoma Humano.
5 Concepto que ilustra los mecanismos de transmisión y expresión de la herencia genética tras el descubrimiento de la codificación de ésta en la doble hélice del ADN
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genoma y elaborar un mapa que ubica a sus 30 a 40 mil genes. Para la medicina, el
conocimiento de la secuencia completa del DNA humano constituye una poderosa
herramienta para la investigación en biomedicina que ha permitido el avance en el
conocimiento de la patogenia, el desarrollo de nuevas terapias y la implementación de
métodos diagnósticos precisos.
Medicina genómica
Las diferencias morfológicas, fisiológicas, bioquímicas y moleculares entre
individuos de la misma especie (diferencias fenotípicas), son producto de las variaciones
en la secuencia del DNA (variaciones genotípicas). Los cambios en la secuencia del DNA
que 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 identifican
diferentes 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 es
el área de investigación de la llamada medicina genómica, la cual se define como el uso
de 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 de
las investigaciones en medicina genómica surge el término de “susceptibilidad
genética”, es decir, un polimorfismo o conjunto de estos que confieren propensión
genética al desarrollo de ciertas enfermedades o bien a complicaciones de estas. La
capacidad de predecir con cierta exactitud los riegos de padecer enfermedades donde
los genes jueguen un papel fundamental hace posible la aplicación de medidas
preventivas que limiten o incluso eviten los padecimientos y sus complicaciones.
La variabilidad genética no sólo es capaz de identificar la susceptibilidad a los
padecimientos, puede predecir además la evolución de estos y su respuesta a las
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terapias farmacológicas; claro ejemplo de ello son los polimorfismos encontrados en
pacientes con DM que se asocian a nefropatía diabética severa.
Farmacogenómica
La evaluación de las reacciones tóxicas y adversas de los fármacos es un requisito
indispensable para su uso terapéutico. Idiosincrasia es el término acuñado por la
farmacología para definir las reacciones individuales (tanto terapéuticas como toxicas)
que puede experimentar un individuo tras la administración de una terapia
farmacológica; en definitiva, la respuesta individual a las drogas es determinada por el
genotipo.
De los estudios de variabilidad genética se derivó la farmacogenómica, disciplina
que 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 existentes
permitirán incrementar la eficiencia y bioseguridad de los tratamientos farmacológicos
para generar un tratamiento justo a la medida del genotipo, en otras palabras, fármacos
hechos a la medida.
Medicina molecular y patogenia
Es clara la implicación de la biología molecular en el estudio, diagnóstico y
tratamiento de padecimientos genéticos hereditarios ocasionados por mutaciones; sin
embargo, todas las enfermedades humanas poseen un componente genético bien
hereditario 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 de
sus implicaciones en la enfermedad revela cómo el genotipo se relaciona con la génesis y
evolución de los padecimientos. Con el conocimiento de las bases moleculares de las
enfermedades es posible identificar marcadores para el diagnóstico temprano y nuevos
blancos terapéuticos, así como desarrollar estrategias terapéuticas novedosas y efectivas
que en su conjunto permitan mejorar la atención a la salud.
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Por ejemplo, actualmente está bien documentada la estrecha asociación entre la
génesis del cáncer de mama y las mutaciones de los genes BRCA. Los genes BRCA 1 y 2
funcionan como supresores tumorales; mutaciones en estos genes producen la pérdida
de su función y por lo tanto conducen a proliferación celular descontrolada. La
detección de portadores de mutaciones en BRCA1 y BRCA2 tiene un gran impacto sobre
la práctica médica, permite implementar estrategias de prevención y diagnóstico
temprano en miembros de familias con individuos afectados, además de permitir
predecir la evolución (agresividad) del cáncer de mama para en última instancia
determinar el manejo más adecuado.
Diagnóstico molecular
La biología molecular ha venido
a revolucionar los estudios
diagnósticos de enfermedades
hereditarias y adquiridas. Las técnicas
moleculares aplicadas al diagnóstico
ofrecen mayor sensibilidad,
especificidad y rapidez con
requerimientos mínimos de muestra en
comparación con las pruebas
convencionales. Esto permite el inicio
temprano del mejor esquema
terapéutico, disminuyendo de esta
manera la probabilidad de
complicaciones.
Las técnicas moleculares aplicadas al diagnóstico de enfermedades infecciosas en
ocasiones superan las limitaciones que imponen los organismos para su aislamiento. Los
ácidos nucleicos microbianos extraídos de una muestra clínica pueden ser analizados
Fig. 5 Las técnicas generadas por la Biología Molecular ofrecen ventajas sobre las técnicas convencionales en el diagnóstico de enfermedades hereditarias y adquiridas.
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para buscar la presencia de secuencias de DNA específicas de los organismos sin
importar los requerimientos fisiológicos para la viabilidad de los organismos.
El análisis y la clonación del genoma del virus de la hepatitis C (HCV) ha
permitido conseguir antígenos virales necesarios para el desarrollo de pruebas
serológicas. 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 material
genético para modificar el repertorio genético de células, destinada a curar
enfermedades de origen tanto hereditario como adquirido. Las enfermedades posibles
de tratar con esta estrategia terapéutica incluyen desde las monogénicas hereditarias
hasta las poligénicas e infecciosas; dada esta diversidad, cada enfermedad requiere un
abordaje particular. Las opciones en la manipulación genética son variadas e incluyen la
adición o supresión de genes. La adición de genes (insertar un gen funcional que
exprese la proteína terapéutica en el tejido indicado), incluye la corrección de genes
defectuosos, insertar genes para inducir funciones nuevas o incrementar la expresión de
un gen de interés. Por otro lado, la supresión génica se realiza a través de RNA de
interferencia, oligonucleótidos anti-sentido o bien ribozimas para disminuir o anular la
expresión de genes.
Según el procedimiento que se
aplique a las células para introducir el
gen, la terapia génica se divide en terapia
génica ex vivo e in vivo. En la terapia ex
vivo las células a transfectar son
cultivadas para posteriormente
introducirles el material genético; una
vez que estas células expresan el gen Fig. 6 Modalidades en que consiste la Terapia Génica
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terapéutico son introducidas nuevamente al paciente. Por otro lado; la terapia in vivo
consiste en la introducción directa del gen terapéutico al torrente sanguíneo o en la
administración directa en el órgano o tejido diana. Cuando la terapia génica se aplica en
células germinales se origina un cambio permanente de todo el organismo y en
generaciones posteriores. Por el contrario, la aplicación en células somáticas implica que
solo tejidos u órganos sean transfectados mediante administración sistémica, inyección
directa o previa extirpación del tejido. Este tipo de terapia génica se aplica a
prácticamente cualquiera de las células del organismo y es la más aplicada en la clínica.
Para transferir los genes
terapéuticos, la terapia génica utiliza
vehículos de origen viral o no viral
llamados vectores. La transferencia de
genes y cambios fenotípicos
provocados por un vector viral se
denomina “transducción”; en cambio,
la transferencia de genes por un
sistema no viral se denomina
“transfección”
Los vectores no virales muestran una baja toxicidad y en general son de bajo
costo; sin embargo, la transferencia de genes es generalmente ineficiente y transitoria. La
transfección 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 orificios
en la membrana celular a través de los cuales el material genético se introduce,
generalmente por precipitación de complejos DNA-sales. Usada para cultivos celulares.
Fig. 7 Vectores útiles en la Terapia Génica
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Bombardeo de partículas: consiste en el uso de un aparato de balística que dispara
micropartículas de oro rodeadas de DNA plasmidico; estas partículas atraviesan la
pared celular depositando el material genético en el citoplasma. Es el método de
elección para la transfección de células vegetales.
Inyección directa del DNA: consiste en la introducción directa de DNA en el núcleo
celular mediante una especie de jeringa y un microscopio. Se utiliza principalmente para
la producción de animales transgénicos.
Precipitación con fosfato de calcio: consiste en formar un precipitado insoluble entre
el cloruro de calcio y el DNA que forma microagregados que se depositan sobre la
membrana celular y posteriormente son endocitados. Es la técnica de elección para
experimentos in vitro.
Liposomas: se basa en polímeros de poliamidoaminas y lipopoliaminas con cargas
positivas que se unen a las cargas negativas del DNA formando vesículas
multilaminales que interactúan con los lípidos de la membrana celular, facilitando la
transferencia de los ácidos nucleicos al interior de las células.
Por otro lado, los vectores virales presentan una mayor eficiencia de transducción
comparados con los sistemas no virales, por lo que son los vectores de elección en los
modelos in vivo y en protocolos clínicos de terapia génica. Hasta el momento se usan
retrovirus, adenovirus, adenoasociados, herpesvirus y baculovirus. Para su uso como
vectores, los virus son modificados genéticamente para que sean deficientes en
replicación; en algunas ocasiones además, su cápside es modificada con la finalidad de
dirigir o re-direccionar su célula blanco. Cada uno de estos vectores posee ventajas y
limitaciones respecto a los otros dependiendo del transgen, el tipo celular y la vía de
administración. 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 en
reposo como en replicación y transducir tipos celulares de manera específica.
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Con base en la naturaleza de su genoma los vectores virales pueden ser divididos
en vectores de RNA y DNA; dada su capacidad de integrar o no su genoma viral dentro
del DNA cromosómico de la célula huésped pueden ser clasificados como vectores
integrativos o no integrativos. Los vectores integrativos se basan en retrovirus; los no
integrativos incluyen a los vectores adenovirales (Ad), virus adeno-asociados (AAV) y
los virus de herpes simple tipo 1 (HSV-1).
Medicina de RNA
La medicina de RNA utiliza diversas estrategias basadas en el uso de moléculas
de RNA con fines terapéuticos. De estas estrategias, la primera en ser desarrollada fue la
terapia antisentido; es decir, aquella basada en el empleo de oligonucleótidos
antisentido expresamente diseñados para bloquear la acción de determinados genes.
Esta idea inicio promisoriamente hacia 1992 en la Universidad de Harvard, donde se
propuso inicialmente que la terapia antisentido podría resultar eficaz para tratar
enfermedades vinculadas con una actividad genética anormal y donde se inició la
elaboración comercial de oligonucleótidos antisentido.
Esta terapia se basa en la síntesis de un oligonucleotido antisentido a un mRNA
para el que se desea bloquear su traducción, evitando así la producción de una proteína
nociva. En un abordaje alterno, el oligonucleótido puede ir dirigido a unirse a un DNA
de 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 de
oligonucleótidos que se requieren administrar para sistemas in vivo y en la facilidad de
degradación de estos RNA de cadena sencilla (a veces aun antes de alcanzar su
objetivo); además, dada la conformación espacial tanto del DNA como del RNA, aun
con 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, los
efectos fibróticos del TGF-β y para inhibir la expresión vírica del VHC.
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El sistema de inhibición conocido como RNA de interferencia (RNAi) se
descubrió al observarse que algunas moléculas de RNA de longitud pequeña podían
anular la expresión de genes en células de plantas y animales al hibridar con las cadenas
de RNA mensajero, con lo que la síntesis proteica se veía inhibida. Este proceso de
inhibición con RNA de doble cadena se da en las células naturalmente, por ejemplo, las
plantas lo utilizan como defensa contra infecciones virales; otros procesos dentro de la
célula utilizan mecanismos similares.
El siguiente aporte en esta historia, después del descubrimiento de los RNA
pequeños, ocurrió a mediados del 2002 cuando se identificó una enzima con actividad
de ribonucleasa llamada Dicer. Esta enzima es la encargada de producir en la célula las
moléculas de RNA pequeño a partir de moléculas de RNA grandes. Los segmentos
cortados pueden ser, según el gen que los produjo, microRNAs y RNAs interferentes
cortos (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 por
RNA (RISC) que contiene proteasas. Al constituirse el RISC, las hebras complementarias
(sentido y antisentido) del siRNA son desapareadas. El siRNA desapareado antisentido
se asocia, mediante hibridación, con el RNA blanco y guía al complejo RISC hacia su
secuencia blanco (mRNA sentido) al cual es complementario. La actividad de
endorribonucleasa corta el RNA blanco en la porción media de la región pareada y
algunas exonucleasas completan la degradación. Esta estrategia se ha utilizado como
herramienta para silenciamiento de genes específicos en células de mamífero. Otras
estrategias que se han implementado para inducir la expresión de estas moléculas son la
inyección de dsRNA (sintetizado químicamente o transcrito in vitro), el bombardeo de
partículas recubiertas del RNAi o la transfección con vectores que portan secuencias
para la expresión endógena del RNAi (transitoria o estable).
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Las posibilidades y aplicaciones del RNA pequeño han cambiado la manera de
entender la producción de proteínas, la cual ya no se puede explicar sin la participación
de estos RNA que pueden inactivar genes completos. Como estrategia terapéutica, su
poderosa acción de inhibición y la posibilidad de propagarse de una célula a otra podrá
generar nuevas terapias genéticas altamente eficaces. Por su tamaño pequeño, su
participación en la expresión o inexpresión de proteínas y sus funciones todavía
desconocidas, los RNA pequeños se han convertido en moléculas clave que repercutirán
en la forma en que nos acercamos a los mecanismos de la vida.
Los microRNAs (miRNA) son RNA de
cadena sencilla de 21-23 nucleótidos de
longitud que regulan la expresión génica.
Fueron descritos por primera vez por el
grupo de Victor Ambros en 1993 como small
RNAs, aunque el termino micro RNA se
acuño hasta el 2001 por Ruvkun. Los miRNA
son codificados por genes que son transcritos
mas no traducidos; estos transcritos son
procesados a un forma llamada pri-miRNA
que originan las estructuras premiRNA que
contienen una pequeña horquilla; finalmente
se originan los miRNA maduros. Los genes
que los originan son transcritos
primariamente a pri-miRNA con una CAP y
una cola de poli A que es procesado en el núcleo de la célula a un segmento corto de 70
nucleótidos con estructura de pasador llamado pri-miRNA. Este procesamiento lo
realiza un complejo llamado “Microprocessor complex”, que incluye una nucleasa llamada
Drosha 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
Fig. 8 Vía que sigue el miRNA
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nucleasa Dicer que inicia la formación del complejo RISC (complejo inductor del
silenciamiento de RNA). El corte por Dicer origina dos moléculas pequeñas
complementarias de RNA, de las cuales solo una, conocida como hebra “guía”, es
seleccionada por la proteína Argonauta (RNAasa del complejo RISC) para integrar el
complejo RISC mientras que la cadena sobrante es degradada. El miRNA generado
complementara 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 la
traducción proteica sin degradar el mRNA. Los miRNA parecen también regular la
metilación 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 un
oligonucleótido bloqueador estérico.
Los miRNA han sido vinculados a patologías como cirrosis, cáncer, daño
muscular, etc.; y su bloqueo está siendo explorado como una estrategia terapéutica para
el tratamiento de varios padecimientos.
Ingeniería de proteínas
Los avances en biología molecular permitieron diseñar y producir en masa
nuevas proteínas diferentes de las sintetizadas por los organismos vivos. Con las
técnicas actuales para sintetizar DNA es posible crear un gen artificial que se puede
emplear para producir proteínas que tengan una secuencia deseada de aminoácidos. El
problema reside en saber cuál de todas las posibles proteínas, entre una variedad
prácticamente infinita, se podría manufacturar que tuviera alguna función útil. Por
ejemplo, consideremos una compañía de biotecnología que quiere manufacturar una
proteína que se enlace a la superficie del virus del SIDA para eliminarlo de una solución
acuosa o del torrente sanguíneo. Asumiendo que un programa de simulación en
computadora puede predecir la forma que debe tener tal proteína para enlazarse a la
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superficie del virus, ¿qué secuencia de aminoácidos se debe reunir para producir dicha
proteína? La respuesta requiere un conocimiento detallado de las reglas que gobiernan
la relación entre estructura primaria y estructura terciaria de una proteína.
En años recientes se lograron grandes avances en la síntesis de genes artificiales
cuyos productos péptidos pueden plegarse en estructuras secundarias relativamente
simples, como haces de hélices α o láminas β. Sin embargo, los intentos para crear una
estructura 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 por
parte de los bioquímicos es suministrarles la secuencia primaria de una proteína cuya
estructura terciaria esté a punto de conocerse y permitirles que hagan predicciones
respecto del aspecto tridimensional que tendrá dicha proteína; luego se pueden
comparar las predicciones con la verdadera estructura. Hasta ahora, estas predicciones
no han sido muy precisas, lo cual sirve para recordarnos el alto nivel de complejidad de
las proteínas y nuestra limitada comprensión de la manera como la naturaleza
transforma un mensaje genético lineal en una proteína funcional tridimensional.
Un método alternativo para la producción de nuevas proteínas es modificar las
producidas por las células. Avances recientes en la tecnología del DNA han permitido a
los investigadores aislar un gen individual de los cromosomas humanos, alterar su
contenido de información en forma precisa y luego sintetizar la proteína modificada con
la secuencia de aminoácidos alterada. Esta técnica, a la cual se denomina mutagénesis
dirigida al sitio, tiene gran variedad de usos, tanto en investigación básica como en
biología aplicada. Por ejemplo, si un investigador desea saber el papel de un residuo
particular en el plegamiento de un polipéptido, se puede mutar al gene de manera que
sustituya a un residuo con diferencias de carga, características hidrofóbicas o
propiedades para formar enlaces de hidrógeno, y a continuación se puede determinar la
capacidad del polipéptido modificado para lograr su estructura terciaria normal. La
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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 ha
6 Tomado del libro Karp, Gerald; Biología Celular y Molecular, 4ª edición, McGraw-Hill, (2006)
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facilitado el conocimiento de los fundamentos básicos en los que se asienta la vida, en
especial las bases del crecimiento y reproducción de los organismos vivos. La
introducción de las técnicas del ácido desoxirribonucleico recombinante (DNAr), de la
fusión celular inducida y de otras nuevas tecnologías en los procesos industriales
biológicos, han conducido a aplicaciones más efectivas de algunos procesos antiguos
bien desarrollados.
La tecnología del DNA recombinante, introducida principalmente por
investigadores de las Universidades de Stanford y California, han revolucionado la
biología y de forma muy especial la biotecnología. La tecnología, a primera vista
sumamente simple, consiste en la unión del DNA procedente de diferentes organismos
vivos, para un fin específico. En su conjunto, estas técnicas han permitido una gran
proifundización en el conocimiento de las bases moleculares de la vida, mientras que en
otro terreno han conducido al establecimiento de numerosas empresas dinámicas y
agresivas; estas bioindustrias con firmes raíces en la investigación básica universitaria,
se orientan fundamentalmente a fines concretos de producción de numerosos
compuestos que van desde los productos farmacéuticos a las aplicaciones más distantes
en el área de la minería o incluso de la microelectrónica.
La medicina se ha beneficiado extraordinariamente de este progreso al poner la
industria biotecnológica productos de gran interés en manos de los clínicos para su
ensayo sobre los enfermos. A modo exclusivamente informativo se pueden citar algunos
de los productos así obtenidos, comenzando por las proteínas reguladoras, entre las que
destaca la insulina humana, los interferones, las linfoquinas, la hormona del crecimiento
humano, los péptidos neuroactivos y todo un amplio conjunto de otras proteínas
reguladoras.
La tecnología del DNA recombinante ha comenzado ya a dar pasos importantes
en la producción de vacunas antivíricas, ofreciendo una clara ventaja frente a las
tradicionales, al ofrecer la posibilidad de fabricar subunidades de las mismas. Se
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produce 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 y
alguna bioindustria.
Es por eso que aprender de la amplia gama de aplicaciones de la biología
molecular es de gran importancia, ya que nos permite saber y conocer como un
organismo se comporta en determinados ambientes, y situaciones.
Además, a partir de allí se origina la curiosidad por seguir aprendiendo de esta
ciencia para el mejoramiento de productos, creación de nuevos fármacos, nuevos
procesos que nos lleven a terapias génicas, saber como se comporta la herencia, etc.
Marco A. Hernández Ing. en Biotecnología, UPZ ,Fresnillo, zacatecas
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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
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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.