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La tecnología

Los científicos que trabajan en biotecnología dependen de una amplia variedad de técnicas e instrumentos de laboratorio en constante evolución. Esta sección se centra en algunas de estas tecnologías. Para poder conocer la industria, resulta útil contar con ciertos conocimientos básicos de lo que sucede en el laboratorio.

Enzimas de restricción
En la biotecnología se emplea un proceso denominado ingeniería genética, que combina secuencias de ADN para producir proteínas recombinantes como posibles tratamientos. En este proceso se utilizan enzimas de restricción.

Los científicos descubrieron enzimas de restricción (endonucleasas) en bacterias en los años setenta. Comprobaron que estas enzimas cortaban el ADN viral en fragmentos pequeños y no funcionales, con lo que protegían a la bacteria de un virus invasor.

Existen centenares de enzimas de restricción, cada una de las cuales reconoce una secuencia específica de ADN o lugar de restricción. Por ejemplo, EcoR1, una enzima de restricción identificada en E. coli, reconoce y corta por la secuencia de seis bases GAATTC. HaeIII, una enzima de restricción presente en Haemophilus aegyptius, reconoce y corta por la secuencia de cuatro bases GGCC.

La totalidad del ADN, con independencia de su procedencia, está formado por las mismas cuatro bases, A, T, G y C. HaeIII lee cualquier segmento de ADN y corta el ADN cada vez que encuentra la secuencia GGCC. Todas las enzimas de restricción son específicas y reproducibles, dos características esenciales que permiten que los investigadores las utilicen para manipular el ADN.

La contrapartida al corte es el pegado. La ADN ligasa es una proteína (enzima) que sella dos segmentos de ADN entre sí en un proceso llamado ligación. La capacidad de cortar y pegar ADN es la base de la ingeniería genética.

ADN recombinante
Cuando se cortan y pegan segmentos de ADN, el nuevo ADN se denomina ADN recombinante. El ADN recombinante puede introducirse en células para producir células con características nuevas . Esta alteración genética puede consistir en el cambio de una sola base (letra) o cambios en varios genes.

El ADN recombinante puede introducirse en una célula huésped por medio de un vector, que se utiliza para llevar físicamente el ADN al interior de una célula huésped. Las células huésped pueden ser de bacterias, levaduras, plantas, insectos o mamíferos.

Entre los vectores bacterianos habituales figuran plásmidos y fagos. Un plásmido es una unidad circular de ADN que puede obtenerse mediante ingeniería genética para transportar un gen de interés. Un fago es un virus obtenido mediante ingeniería genética que inyecta ADN en bacterias. Las células que contienen ADN recombinante se denominan células genéticamente modificadas, transgénicas o transformadas y el proceso, transformación.

Proteínas recombinantes
El ADN recombinante puede utilizarse para producir proteínas recombinantes. Las células huésped emplean la nueva información del ADN y su propia maquinaria celular para sintetizar la proteína codificada por el ADN recombinante.

Cuando se producen proteínas reconbinantes para uso como tratamientos humanos, han de cultivarse células huésped en cantidades elevadas a fin de producir suficiente proteína recombinante para satisfacer la demanda. La proteína recombinante se aísla, se purifica y se analiza su actividad y calidad antes de ser comercializada.

La producción de una proteína con el orden correcto de aminoácidos no siempre lo es todo. En ocasiones se precisa un procesamiento adicional para obtener una proteína activa o totalmente funcional. Muchas proteínas humanas están glucosiladas, es decir, poseen un patrón particular de moléculas de azúcar unidas a ellas. Si se traduce una proteína, pero no se glucosila correctamente, es posible que no funcione de manera adecuada.

La adición de un grupo fosfato, un proceso conocido como fosforilación, puede actuar como un sistema de “encendido”, de modo que permite que las proteínas se tornen activas. Es posible agregar otros grupos funcionales bioquímicos a una proteína para permitir que tenga una mayor variedad de funciones.

Las proteínas recombinantes para uso terapéutico comprenden vacunas, hormonas, anticuerpos monoclonales y factores de crecimiento hematopoyéticos para el tratamiento del cáncer, SIDA, alergias, asma y muchas otras afecciones. El número de proteínas recombinantes ha aumentado en gran medida en los últimos años conforme ha avanzado la tecnología utilizada para su producción y purificación.

Cultivo celular
El cultivo celular es la técnica consistente en hacer crecer células en el laboratorio bajo condiciones controladas. La obtención de cantidades elevadas de células transformadas es un paso importante en el proceso de producción de proteínas recombinantes. En este proceso se utilizan bacterias y células animales transformadas.

Las proteínas sencillas pueden producirse mediante la tecnología del ADN recombinante en cultivos celulares bacterianos. Normalmente, otras proteínas más complejas, por ejemplo, las que están glucosiladas, se producen en cultivos celulares animales.

Durante el cultivo celular, las células crecen en placas de Petri o matraces que contienen medios líquidos. Los medios de cultivo aportan todos los nutrientes necesarios para el crecimiento celular. Los cultivos crecen en una incubadora que mantiene la temperatura y el ambiente adecuados y, con frecuencia, se necesita una determinada mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono. Es muy importante mantener las condiciones específicas de los cultivos, ya que la variación de estas condiciones puede modificar las proteínas expresadas y, por consiguiente, el producto que se obtiene.

En el proceso de producción comercial de proteínas han de aumentarse los cultivos celulares hasta producir suficiente proteína para satisfacer la demanda. Dado que en las pequeñas placas de Petri o matraces tan sólo puede crecer un número limitado de células, el cultivo celular puede transferirse a contenedores de gran volumen denominados biorreactores, que intervienen en el proceso de fabricación.

Instrumentos de investigación
Los profesionales de la biotecnología dependen de la existencia de equipos de laboratorio de vanguardia. A continuación se comentan algunos de los elementos que se utilizan en ingeniería genética.

Termociclador
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica que replica ADN en una máquina que recibe el nombre de termociclador. La PCR consiste en una serie de ciclos en los que se toma una pequeña cantidad de ADN original y se copia exponencialmente, o se amplifica. Cada ciclo de tres pasos duplica la cantidad de ADN presente. Es como una fotocopiadora de ADN. Un único fragmento de ADN puede convertirse en millones de copias de ese mismo fragmento de ADN.

La PCR permite que los investigadores obtengan suficiente ADN para trabajar en el laboratorio. La PCR tiene muchas aplicaciones, como la producción suficiente de una secuencia de ADN o gen para uso en la creación de proteínas recombinantes.

Electroforesis en gel
La electroforesis en gel es una técnica de uso habitual en el laboratorio para analizar fragmentos de ADN. La electroforesis en gel permite separar fragmentos de ADN en un gel. Un aparato de electroforesis en gel mantiene el gel y permite que lo atraviese la electricidad. Cada fragmento de ADN se carga negativamente, lo que hace que migre hacia el polo positivo del aparato de gel. Los fragmentos de ADN de mayor tamaño se desplazan con más lentitud que los más pequeños porque se encuentran con la resistencia de la matriz de gel.

Hay diferentes tipos de electroforesis. Cada uno se basa en el tipo de material de separación utilizado, siendo los geles uno de ellos, y los tipos de moléculas que se separan. ADN, ARN y proteínas pueden separarse mediante electroforesis en un aparato adecuado.

La electroforesis en gel posee muchas aplicaciones en los laboratorios clínicos y de investigación. Un uso habitual es la verificación de productos de PCR, es decir, la comprobación de si la reacción ha generado el fragmento de ADN correcto.

Microarrays de ADN (microarreglos)
Un microarray de ADN (también llamado chips de genes, tecnología de micromatrices o microarreglos) es un pequeño trozo de vidrio o silicona dividido en millares de secciones en un patrón cuadriculado. En cada sección hay un fragmento, de una sola cadena, correspondiente a un gen sano o patológico.

El ADN procedente de un individuo se separa en hebras monocatenarias y se marca con un colorante fluorescente. El ADN marcado se lava sobre la micromatriz. El ADN del individuo se une a las secuencias de ADN complementario presentes en la platina, en caso de haber, y se convierte en ADN bicatenario.

Con la ayuda de un ordenador pueden localizarse y medirse los puntos de ADN bicatenario marcado con fluorescencia. El ADN del individuo debe corresponder exactamente con el fragmento génico acoplado para que se unan, lo que indica la presencia de ADN sano o patológico.

Los microarrays de ADN son instrumentos potentes que permiten que los investigadores analicen miles de genes en una sola prueba. Se utilizan en estudios genéticos, en la comparación de información genética de diferentes individuos o especies y en el descubrimiento de posibles objetivos farmacológicos.

Los microarrays de ADN también pueden emplearse para investigar e identificar genes de interés para su uso con tecnologías de ADN recombinante. También existen microarrays de proteínas, tejidos, compuestos químicos y anticuerpos, que permiten a los investigadores analizar miles de datos de una sola vez.

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