Organismos y productos genéticamente modificados

Los organismos genéticamente modificados, a los que también se les denomina transgénicos, son organismos que tienen incorporados en su genoma uno o varios genes de otros organismos, denominados foráneos, los cuales expresan de manera estable. Existen tanto plantas como animales genéticamente modificados, teniendo una amplia variedad de aplicaciones: la investigación con plantas transgénicas ha permitido obtener especies resistentes a las condiciones más adversas, o capaces de fabricar vacunas o anticuerpos; por otro lado, los animales se utilizan para la producción de proteínas recombinantes, para estudios farmacológicos y toxicológicos, o para la investigación básica para el estudio de función de los genes.

Los métodos que se utilizan para la obtención de organismos genéticamente modificados son diferentes según se trate de animales o plantas. En animales, el ADN foráneo se introduce directamente en células determinadas, mientras que en las plantas, lo más habitual es utilizar vectores que transporten el ADN al interior de las células, aunque también existen otros sistemas.

Animales genéticamente modificados

Existen dos métodos fundamentales por los que se pueden obtener animales transgénicos, cuya diferencia fundamental radica en el tipo de células al que se le introduce el ADN foráneo. El primero de ellos consiste en la introducción del ADN en huevos fecundados, método por el que se obtiene una elevada proporción de animales transgénicos; en el segundo, el ADN se introduce en un tipo de células especiales, denominadas embrioblastos.

Introducción de ADN en huevos fecundados. Un huevo fecundado es la célula que resulta justo después de la fecundación de un óvulo por un espermatozoide. Esta célula contiene dos núcleos denominados pronúcleos: uno masculino, procedente del espermatozoide, y otro femenino, procedente del óvulo. En ellos se encuentra todo el ADN con la información necesaria para la creación de un nuevo ejemplar.

Los animales más utilizados en este tipo de experimentación son los ratones, ya que son de pequeño tamaño, tienen un período de gestación corto (19-20 días), y suelen tener camadas de entre 4 y 8 crías. El proceso comienza con la fecundación de una ratona, de la que se extraen, a las pocas horas, los huevos fecundados, manteniéndolos en un medio de cultivo. La introducción del ADN foráneo se realiza mediante una inyección con una aguja muy fina en los pronúcleos masculinos de los huevos fecundados extraídos. Los huevos que sobreviven a esta técnica son implantados en otras ratonas y, de éstos, sólo algunos llegarán a desarrollarse, dando lugar a crías.

Los ratones son los animales más utilizados para realizar estudios genéticos dado su alto ciclo de reproducción y manejabilidad.

En teoría, todos los individuos que nacen deberían tener introducido el ADN foráneo en su genoma, pero en la práctica, sólo algunos de ellos lo tienen. Para confirmar si una cría tiene el ADN que se ha introducido de manera artificial, se hace un análisis de su ADN a partir de unas gotas de sangre, y se compara con el de otro ratón que no ha sido modificado genéticamente. En otras ocasiones, la confirmación se produce de una manera más sencilla, ya que la inserción del ADN foráneo produce ciertas mutaciones que provocan alteraciones en el color de la piel de los ratones. Con este método se consigue una elevada proporción de animales transgénicos, ya que hay una alta probabilidad de que el ADN foráneo se integre en el genoma propio del ratón.

Introducción de ADN en embrioblastos. Cuando se produce la fecundación de un óvulo por un espermatozoide, se forma una célula que se denomina cigoto. El cigoto es la primera célula de un individuo, a partir de la cual surgen las demás mediante divisiones sucesivas. A la masa de células iniciales que se forman a partir del cigoto se le denomina blastocisto, y a las células que la forman, embrioblastos.

Estas últimas son las que se utilizan en esta segunda técnica de introducción de ADN foráneo. En ella, los ratones constituyen también la mejor especie experimental: mediante una aguja especial se sacan algunos embrioblastos de un blastocisto de una ratona y se introducen en un medio de cultivo. En dicho medio, las células son modificadas genéticamente mediante la introducción de ADN foráneo por diversas técnicas, como por ejemplo, la utilización de plásmidos. Los embrioblastos así modificados se vuelven a introducir en un blastocisto, y éste se introduce de nuevo en una ratona. Después de la gestación, las crías que nazcan tendrán el ADN foráneo sólo en algunas de sus células, ya que no se manipularon todos los embrioblastos del blastocisto. En la figura 2 se muestran las dos técnicas explicadas.

Aplicaciones de los animales modificados genéticamente

Los animales modificados genéticamente presentan una gran variedad de aplicaciones, entre las que destacan la investigación básica para el estudio de la función de los genes o su utilización como modelos de algunas enfermedades humanas.

Investigación básica para el estudio de la función de los genes. Se pueden crear animales transgénicos en los que se inhiba la expresión de un determinado gen, o bien el efecto contrario, es decir, en los que se sobreexprese ese gen. Viendo los efectos que causa tanto la inhibición como la sobreexpresión, se puede averiguar qué función o funciones son las que lleva a cabo dicho gen. Este tipo de investigación se hace sobre todo en ratones, ya que su genoma se conoce casi por completo y es muy fácil crear individuos transgénicos.

Modelos de algunas enfermedades humanas. Los animales transgénicos con mutaciones en genes específicos que causan enfermedades en humanos, son fundamentales para estudiar las patologías y probar tratamientos. Como modelos se utilizan ratones y monos; estos últimos por su gran parecido a los humanos aunque la experimentación con ellos está todavía en desarrollo. Los ratones se han podido utilizar, por ejemplo, como modelo para el estudio de una enfermedad muy grave, denominada síndrome de la inmunodeficiencia combinada severa, que es la responsable de los llamados «niños burbuja». Estos niños tienen que ser mantenidos en condiciones de absoluta esterilidad debido a que su sistema inmunológico no funciona de manera correcta y cualquier pequeña infección podría provocar su muerte.

Plantas modificadas genéticamente

La manipulación genética de las plantas es mucho más sencilla que la de los animales, ya que éstas tienen un poder regenerativo mucho mayor. En muchos casos, a partir de una sola célula vegetal se puede obtener una planta entera, por lo que, en ingeniería genética, se puede conseguir una planta transgénica completa modificando únicamente el genoma de una sola célula. El modelo de planta más utilizado en la modificación genética es la Arabidopsis thaliana, una mala hierba que crece muy rápidamente y bajo una gama muy amplia de condiciones de cultivo.

a) Esquema de la introducción de ADN en huevos fecundados y b) Esquema de uso de la técnica de embrioblastos en ratones.

Los métodos de modificación genética en plantas más comunes son: la transferencia de ADN foráneo mediada por Agrobacterium tumefaciens, la transferencia a protoplastos, la transferencia mediada por vectores virales, y la mediada por microproyectiles.

Transferencia de ADN mediada por Agrobacteriumtumefaciens. A. tumefaciens es una bacteria que vive en el suelo y que establece una especial «relación» con las plantas dicotiledóneas, entre las que se encuentran las legumbres (judías, guisantes), los rosales, la planta de la menta, etc. El genoma de estas bacterias está formado por un cromosoma y un plásmido, denominado plásmido Ti. Gracias a éste, A. tumefaciens es capaz de infectar a plantas que han sufrido algún tipo de daño en su estructura, provocándoles la formación de una estructura dura, de tipo calloso, justo en el punto de infección. Una vez en el interior de la planta, las bacterias transfieren a las células vegetales un fragmento de ADN procedente de su plásmido Ti, que se integra de manera estable en el genoma vegetal. Este trozo de ADN bacteriano que se transfiere se denomina ADN-T (de ADN Transferido) y es el responsable de inducir a la planta a que sintetice unos compuestos de gran utilidad para la bacteria, tanto para su nutrición como para su multiplicación.

Proceso de modificación genética de plantas utilizando el Agrobacterium tumefaciens.

Las propiedades del plásmido Ti y del ADN-T han permitido construir vectores que son capaces de transportar el o los genes deseados al interior de la planta. Existen varios tipos de estos vectores pero en la mayoría de los casos de transferencia de ADN se utilizan los llamados binarios. Estos vectores siempre se emplean juntos, ya que uno es complementario al otro. El primero de ellos es el plásmido Ti de la bacteria pero sin el fragmento de ADN-T; en él se introduce el ADN foráneo que se quiere insertar en la planta. El segundo es un plásmido más pequeño, que contiene los genes de ADN-T. Se ha comprobado que la transferencia de ambos plásmidos funciona muy bien, ya que cada plásmido complementa las funciones del otro.

Los vectores construidos artificialmente se introducen en A. tumefaciens. A continuación se sigue un procedimiento muy sencillo para que las bacterias infecten Arabidopsis: las hojas de la planta se cortan en pequeños trocitos en forma de «discos», y se ponen en contacto con la bacteria. Después de unas horas, la bacteria se elimina con un antibiótico, y los trocitos de hoja se pasan a un medio adecuado para que puedan crecer, siendo capaces de regenerar una planta entera cuyo genoma se habrá modificado al haber insertado el ADN foráneo que se le ha introducido con los vectores. Con este método se ha conseguido manipular genéticamente hojas de la planta del tabaco, o las de la planta del tomate. En la figura 3 se puede observar este proceso.

Transferencia a protoplastos. En vegetales, un protoplasto es una célula «desnuda», es decir, que no está recubierta por la pared vegetal que habitualmente rodea a todas las células de una planta. Sin esta pared vegetal, que confiere protección y rigidez a las células, éstas son más manejables para la transferencia de ADN foráneo. En un principio se utilizaron plásmidos Ti para introducir el o los genes deseados, pero la técnica más utilizada en la actualidad es la llamada electroporación, que consiste en someter a las células a unos pulsos eléctricos, como si fueran pequeñas descargas, que hacen pequeños agujeros en la membrana celular por donde puede pasar el ADN ajeno hacia el interior celular. Estos protoplastos se colocan en un medio adecuado para su crecimiento, pudiendo regenerar una planta entera. Este método se ha seguido con éxito en la introducción de ADN foráneo en petunias, y en multitud de especies de cereales, como el trigo o el arroz.

Transferencia mediada por vectores virales. Para llevar a cabo este método se utiliza, como medio para introducir ADN foráneo, el genoma de varios tipos de virus que habitualmente infectan plantas, como por ejemplo, el virus del mosaico del tabaco, o el virus X de la patata. Los genomas de estos virus se copian y se introducen en plásmidos bacterianos en los que también se inserta el gen o los genes ajenos con los que se quiere modificar el genoma de la planta. Estos plásmidos modificados se introducen en los virus, y éstos se ponen en contacto con la planta para que se produzca la infección. Una vez en el interior de la planta, los virus comienzan su ciclo vital, replicando y expresando su genoma, provocando que también se forme un gran número de copias del ADN foráneo y que se exprese. De este modo, se consigue una expresión transitoria de los genes que se han introducido en la planta.

Microfotografía del virus del mosaico del tabaco, cuyo genoma se utiliza para la técnica de transferencia mediada por vectores virales.

Transferencia mediada por microproyectiles. Este método de transferencia de ADN consiste en el «bombardeo» de las células vegetales que se quieren modificar genéticamente. Para ello se usan bolas metálicas muy pequeñas, recubiertas con el ADN que se quiere introducir, que son lanzadas a gran velocidad, como si fuera un disparo, hacia las células. Las bolas penetran en las células y, en la gran mayoría de los casos, el ADN foráneo se suele integrar en el genoma vegetal. A partir de las células bombardeadas, se regenera una planta completa modificada genéticamente. Con este método se ha conseguido hacer arroz y soja transgénicos.

Aplicaciones de las plantas modificadas genéticamente

Al igual que los animales transgénicos, las plantas modificadas genéticamente son muy útiles en investigación básica y aplicada para el estudio de la función de numerosos genes, presentando también multitud de aplicaciones prácticas a un nivel más comercial, como por ejemplo, su utilización como pequeñas «factorías» para fabricar proteínas, anticuerpos, etc., o su empleo para la producción controlada de flores y frutos, entre otras muchas.

Investigación básica y aplicada. Las plantas transgénicas permiten el estudio de la función de determinados genes, ayudando a comprender los mecanismos que se producen durante el metabolismo vegetal o la fotosíntesis. El proceso consiste en la introducción en la planta de un gen externo que modifique o anule completamente la expresión de un gen en concreto. Analizando el comportamiento del vegetal modificado, se puede determinar la función que tenía ese gen, lo que ayuda entender mejor los procesos que tienen lugar en las plantas.

Plantas resistentes a organismos patógenos. Se han creado plantas transgénicas capaces de presentar resistencia a virus, bacterias, hongos, insectos, etc. Con ellas se ha conseguido evitar enfermedades y plagas que causan pérdidas millonarias en cosechas de todo el mundo.

Este tipo de plantas se crean de tal manera que se obliga al vegetal a expresar material genético del propio patógeno, lo que produce una desestabilización del agente agresor y la consiguiente resistencia de la planta hacia ese patógeno. De esta manera, se evita el uso de productos químicos (insecticidas, plaguicidas, etc.), que afectan de forma notable al medio ambiente y suponen un gran coste económico.

La producción agrícola se ve beneficiada por la utilización de plantas modificadas genéticamente al ser éstas resistentes a diversos tipos de enfermedades frecuentes. En la imagen, ciruelas del tipo C5, resistentes al virus de la viruela específico de esta planta.

Un ejemplo de este tipo de plantas son aquellas que presentan resistencia a virus, las cuales se han obtenido mediante el empleo de diversos mecanismos. Uno de ellos ha sido la introducción en el genoma de la planta del tabaco, mediante un plásmido Ti, de un fragmento de ADN que codifica para la proteína de cubierta del virus que la infecta de manera específica: el llamado virus del mosaico del tabaco. Así, la planta transgénica es capaz de expresar la proteína de cubierta del virus, convirtiéndola en resistente a éste por algún mecanismo que aún no se conoce muy bien: puede ser porque las proteínas expresadas envuelven al ARN viral, transformándolo en no infeccioso, o porque dichas proteínas bloqueen receptores internos de la planta que intervienen en el proceso de liberación del ARN viral hacia el citoplasma celular vegetal.

Plantas resistentes a herbicidas. Los herbicidas son productos químicos que se utilizan para matar las «malas hierbas», pero presentan la gran desventaja de no distinguir este tipo de plantas de las que no lo son, por lo que pueden llegar a destruir cosechas o plantaciones enteras. Para que esto no ocurra, se han creado plantas transgénicas que son capaces de resistir la acción de estos productos. Los herbicidas actúan sobre determinadas enzimas esenciales para la vida de las plantas por lo que el mecanismo que se ha seguido para la obtención de vegetales resistentes a ellos ha sido el introducir genes externos que consigan, o bien producir grandes cantidades de enzima, que compensan las enzimas que no funcionan por haber sido inhibidas por el herbicida, o bien producir enzimas (diferentes a las propias de la planta) que sean capaces de actuar sobre el producto químico, inactivándolo. Con estos métodos se han conseguido gran diversidad de plantas transgénicas resistentes a herbicidas, entre las que destacan el tabaco, el algodón, el trigo o la soja.

Plantas tolerantes a condiciones adversas (salinidad, aridez, temperatura, etc.). Existen numerosos genes que permiten a las plantas su adaptación a condiciones que las pueden resultar estresantes, como por ejemplo, la salinidad del suelo, los cambios radicales de temperatura, la cantidad de agua de la que dispongan, etc.; en algunas plantas, la expresión de estos genes no suele ser suficiente para que resistan condiciones demasiado extremas.

Como ejemplo de vegetales transgénicos tolerantes a la salinidad se encuentran las plantas de tabaco y del género Arabidopsis. Ambas son capaces de producir grandes cantidades de dos enzimas diferentes implicadas en producir un tipo de compuesto, la glicina-betaína, cuya acumulación permite realizar los ajustes osmóticos necesarios para que sus células resistan un exceso de sal en el ambiente. En muchas plantas de gran interés desde el punto de vista agrícola, como el arroz, la patata, el tomate, etc., este compuesto no se acumula, por lo que la estrategia consiste en introducir genes externos que expresen grandes cantidades de estas dos enzimas para conseguir la producción y acumulación de la glicina-betaína, obteniendo así plantas que sean tolerantes a la salinidad.

Se han identificado, además, diversos genes que permiten la formación de un tipo de dobles enlaces en los ácidos grasos de la membrana de las células de la planta, modificándola de tal manera que permite la resistencia a las heladas. A nivel experimental, estos genes se han introducido en plantas que sirven como sistemas modelo (por ejemplo Arabidopsis), consiguiéndose muy buenos resultados, pero aún hay que extrapolarlos a plantas más interesantes desde un punto de vista económico (patatas, tabaco, algodón, etc.).

Productos genéticos

Además de las ya mencionadas en los epígrafes anteriores, los organismos modificados genéticamente poseen otra aplicación muy importante: la obtención de productos genéticos. Tanto los animales como las plantas pueden ser manipulados por el ser humano para producir diversos productos que le son de gran utilidad. En la actualidad, ya se están comercializando numerosos compuestos de este tipo, como por ejemplo, la hormona del crecimiento o la insulina, producidos por ingeniería genética en bacterias, levaduras o células de mamíferos cultivadas «in vitro», y que presentan un gran interés desde el punto de vista farmacológico y médico. En las plantas y en los animales ya se producen también proteínas terapéuticas, anticuerpos y vacunas, además de otro tipo de compuestos no relacionados con la salud, como son las enzimas de uso industrial o los plásticos biodegradables.

Proteínas terapéuticas. Estas proteínas son utilizadas como tratamiento de diversas enfermedades causadas por deficiencias proteínicas en el cuerpo humano. Los animales más empleados en su obtención son los animales de granja, como las vacas, las ovejas y las cabras, todos ellos grandes productores de leche. La razón de esta elección es muy sencilla: se ha descubierto que una manera muy eficaz de obtener el producto transgénico es hacer que se «fabrique» en las células que producen la leche (glándulas mamarias), como si fuera una proteína más de las que componen este alimento. Este sistema proporciona grandes ventajas, entre ellas, que las glándulas mamarias son capaces de realizar todas las modificaciones postranscripcionales que una proteína requiere para ser funcional, además de presentar una alta productividad (las cabras, por ejemplo, pueden producir hasta cuatro litros de leche al día), y permitir un fácil acceso a la proteína de interés que se crea (simplemente es necesaria la recogida de la leche).

Proceso de clonación de una oveja a partir de un oocito.

La metodología para la obtención de proteínas terapéuticas consiste en crear un organismo modificado genéticamente, mediante el mecanismo de la microinyección del gen de interés (el que codifica para la proteína terapéutica que se desea producir) en núcleos de huevos fertilizados del animal. Los embriones así modificados se transfieren a hembras que posteriormente parirán organismos transgénicos para ese gen en concreto. Con este sistema se ha podido obtener el factor IX antihemofílico humano, uno de los factores que intervienen en la coagulación de la sangre. En la figura 6 se muestra la metodología de la creación de una oveja transgénica.

Anticuerpos. Los anticuerpos son proteínas que se encuentran en la sangre y que forman parte de la respuesta inmunológica frente a agentes extraños (antígenos). Estructuralmente, estas moléculas están formadas por cuatro cadenas que se unen por un tipo de enlace llamado puente disulfuro. Se ha conseguido obtener plantas transgénicas que sintetizan anticuerpos, capaces de realizar los mismos procesos y modificaciones que se llevan a cabo en los animales para la formación de estas proteínas, aunque con alguna diferencia en los mecanismos de glicosilación (modificación postranscripcional en las proteínas que consiste en la adición de azúcares). Un ejemplo de planta transgénica productora de anticuerpos es el tabaco, en la que se ha conseguido que se sintetice un tipo de anticuerpo que evita el desarrollo de la caries en la dentadura de monos y humanos, ya que reconoce y elimina la bacteria que la causa.

Vacunas. La mayoría de las vacunas están formadas por un componente, habitualmente una proteína del propio patógeno que causa la enfermedad, que provoca una respuesta inmune en el organismo. Se han desarrollado plantas modificadas genéticamente que son capaces de producir ese componente que causa la respuesta inmune. Un ejemplo de ello es la planta de la patata, de la que se han obtenido vacunas para ciertas enfermedades gastrointestinales como el cólera o la diarrea, aunque esta metodología aún se encuentra en fase de experimentación. La producción de vacunas en plantas presenta varias ventajas, entre las que destaca su coste, menor que en el resto de las vacunas producidas por otros sistemas, algo fundamental para llevar a cabo vacunaciones en países subdesarrollados. En un futuro no muy lejano, las vacunas se desarrollarán en alimentos, con lo que una persona se vacunaría con el simple gesto de comerse un plátano procedente de una planta transgénica.

Enzimas. Las enzimas son moléculas proteicas que son capaces de acelerar la velocidad de las reacciones químicas y bioquímicas. Con el desarrollo de plantas transgénicas se ha conseguido la producción de enzimas, fundamentalmente, para uso industrial. El ejemplo más destacado es la α-amilasa (alfa amilasa), encargada del procesamiento del almidón, un glúcido con función de reserva energética, que es empleada en la fabricación de cervezas bajas en calorías, pan o zumos y vinos.

Plásticos biodegradables. Este tipo de plásticos se puede degradar por acción de enzimas liberadas por microorganismos o por otros mecanismos de hidrólisis (rotura) en los que no participan enzimas, provocando menor contaminación que los plásticos no biodegradables. Existen ciertos compuestos, producidos por bacterias, que presentan propiedades plásticas y son totalmente biodegradables. Uno de estos compuestos es el denominado PHB, que se sintetiza a partir de acetil-CoA gracias a la acción de tres enzimas diferentes. Así, se han conseguido desarrollar plantas transgénicas, del género Arabidopsis, capaces de expresar estas tres enzimas, permitiendo la síntesis de PHB y su acumulación en la planta sin que sufra deterioro alguno. A pesar de estos avances, se sigue estudiando el desarrollo de esta metodología en otro tipo de plantas, como el girasol o la soja, con el objeto de fabricar otros plásticos con mejores propiedades físicas que el PHB.