El universo que observamos tiene todas las
propiedades que podríamos esperar de un mundo en el que no existe ni diseño,
ni propósito,
ni el mal, ni el bien
Richard Dawkins El gen egoísa (1993)
Índice de esta
clase:
-
Tratamiento
-
Preparación y
utilización de microorganismos
La
manipulación genética mediante ingeniería ha avanzado, y lo sigue haciendo,
aceleradamente pero en el caso de células vegetales y animales la
recombinación ha trascendido la fase de investigación y desarrollo[1] y en el caso de las bacterias, la producción de compuestos “a
pedido” hace ya tiempo que está en la etapa de aplicación industrial.
Las
modificaciones genéticas de los microorganismos in-vitro reposan sobre las
observaciones de las variaciones genéticas espontáneas in-vivo (ver la
Unidad 1) que el hombre trata de explotar en su beneficio. A ellos se les
aplican las técnicas vistas en la clase anterior,
habiendo sido sobre ellos que comenzaron las investigaciones de las modernas
biotecnologías.
Las mutaciones inducidas.
Tratando a los microorganismos con agentes mutágenos (físicos, químicos o
biológicos), se puede aumentar la frecuencia de mutaciones después de la
replicación de los cromosomas. Se observan tres clases de mutantes, según los
tipos de defectos que se les causen:
 reemplazo
de un par de bases por otro par,
adiciones
o supresiones de un par de bases,
pérdida de
uno o más genes, su transposición en el cromosoma o bien su interrupción por
la inserción de ADN extraño.
La
precisión y la previsibilidad de un resultado son variables según el agente
utilizado; y muchas veces se puede observar, a posteriori, una nueva mutación
de reversión o de supresión como una reacción reparadora del organismo. Por lo
tanto, la utilidad de las mutaciones depende sobretodo de la efectividad de
las técnicas de selección de los organismos interesados.
| Gráfico
1 Transposición de ADN libre mediante shot gun |
 |
La transposición de ADN libre.
Esta técnica -variante específica de las mutaciones inducidas que produce-
consiste en inyectar en la célula o en hacerla absorber las cadenas de ADN
libre con el fin de integrarlas al cromosoma. Se basa en el descubrimiento de
la conducta de los transposones de células eucariotas[2] (v.gr., levaduras): el ADN extraño se copia a ARN mensajero y luego
nuevamente a ADN, antes de insertarse en el ADN cromosómico del
microorganismo.
El microorganismo quizás más y mejor conocido
y, por ende, más usado por las biotecnologías es la Escherichia coli.
La Escherichia coli es un organismo procariota,
muy pequeño; su residencia preferida es el tracto intestinal humano, en
íntima asociación con las células que forman el tapiz del mismo y otros
microorganismos. Crece y se multiplica con gran eficiencia, puede duplicar
su número cada veinte minutos. En su estado natural sintetiza
simultáneamente entre 300 y 800 proteínas diferentes, pero puede llegar a
las 3.000. Las enzimas necesarias para degradar los nutrientes aparecen en
ella según la necesidad (v.gr., la presencia de lactosa provoca la
proliferación de moléculas de la
b galactosidasa) pero en casos mutantes la enzima se
produce aún en ausencia del nutriente y malgasta su energía en franca
desventaja con las E. coli normales. Este hecho dio el indicio, que
finalmente se confirmó, de la existencia de genes reguladores de la
expresión de otros genes, los estructurales, que codifican para la proteína
en cuestión[3]. El siguiente es un ejemplo de los parámetros de un
cultivo de 500 litros para la producción de Met-hGH
[4] en Escherichia coli:
|
Cuadro
1 Características de la bacteria
Escherichia coli. |
|
Tiempo de generación de E. coli |
50 a 70 minutos |
|
Tiempo promedio para obtener crecimiento en el cultivo de 500
litros |
6.0 a 9.0 horas |
|
Producción de células |
20/ 30 g de pasta celular/lt. |
|
Producción total |
10 a 15 kg de pasta celular |
|
N° de moléculas de met-hGH/célula |
8 x 105 a 1.5 x 106 |
|
Valor promedio de la proteína celular soluble |
8 a 15 % |
|
Met-hGH/litro de cultivo (mg) |
240 a 320 mg/litro |
|
Producción total |
125 a 165 g de Met-hGH |
| Fuente: Murrell, J.C.,
Roberts, L.M. Introducción a la Ingeniería genética. Limusa. México,
1993. |
De lo
comentado ut supra se coligen las innovadoras aplicaciones de un fenómeno
ancestral para la producción de proteínas a través de este microorganismo que
goza de muy buenos y múltiples puestos de trabajo (aunque sin remuneración
para sí mismo, por supuesto). Más aún cuando los operones de genes extraños
pueden ser dispuestos a voluntad.
Tomando
como punto de partida a un microorganismo en estado natural, éste debe ser
preparado, habitualmente en diferentes etapas utilizando a veces más de uno de
los procedimientos mencionados (v.gr., la preparación de los vectores para la
recombinación del ADN; luego. cada proceso de modificación es seguido de un
proceso de selección).
El
siguiente cuadro resume los procesos de manipulación biológica de
microorganismos y sus resultados:
Cuadro 2 Uso y manipulación de
microorganismos.
|
Microorganismo |
PROCESO |
RESULTADO |
|
en estado natural |
cultivo (multiplicación celular)
cultivo con extracción |
levaduras, proteínas de
organismos unicelulares
metabolitos primarios (v.gr.,
aminoácidos, ácidos orgánicos, vitaminas) y secundarios (v.gr.,
antibióticos, toxinas, alcaloides, factores de crecimiento)
enzimas y otras fracciones
subcelulares |
|
con otra materia primaria |
bioconversiones
(transformación o tratamiento de la materia) |
ácido acético(vinagre), vino,
cerveza, gasolina, esteroides, lácteos, alcohol
mejora de materia primaria (v.gr.,
agua y aire purificados, descomposición de residuos) |
|
(o virus) con otros organismos |
simbiosis en el medio ambiente |
cruzamientos acelerados
resistencia a las enfermedades |
|
(o virus) enteros o partes |
actividades bioquímicas (biochips
y biosensores) |
crecimiento acelerado
sensibilidad |
En los últimos años muchos productos han sido
re-elaborados por los microorganismos modificados y aplicados por las
bioingenierías (v.gr., antibióticos, proteínas, fertilizantes y pesticidas,
hasta seda). El cultivo en gran escala de ciertas algas microscópicas
permite fabricar ácidos grasos, que contribuyen a reducir el riesgo de
accidentes cardiovasculares[5], el siguiente cuadro brinda algunos ejemplos de las
proteínas que producen los microorganismos genéticamente alterados, por el
hombre, a tales efectos:
Cuadro 3 Proteínas elaboradas por biotecnología
|
PROTEÍNAS |
APLICACIONES |
|
ENZIMAS y COFACTORES
a-Antitripsina
Ricina
Activador del plasminógeno
tisular
Superóxido dismutasa
Factor VIII de la coagulación
sanguínea
Factor IX de la coagulación
sanguínea
Factor 4 de las plaquetas |
Enfisema
Inmunotoxina
Trombosis
Previene el daño tisular
producido por un ataque cardíaco
Hemofilia A
Hemofilia B
Inmunoterapia |
|
HORMONAS
Insulina humana
Hormona del crecimiento humana
Factor I del crecimiento (IGFI)
Hormona del crecimiento bovina
Eritropoyetina
Péptido relacionado con el
gen de la calcitonina |
Diabetes
Enanismo hipofisiario
Diabetes y osteoporosis
Producción mayor de leche
Tratamiento de la anemia en la
insuficiencia renal
Terapia cerebrovascular |
|
LINFOCINAS
Interleukina 1
Interleukina 2
Interleukina 4
Factor de necrosis tumoral (TNF)
a-Interferón
b-Interferón
g-Interferón
Antígeno de superficie del virus
de la hepatitis B |
Activación de las células T
Estimulación del crecimiento de
las células T
Activación de las células B
Destrucción de las células
tumorales y hematopoyéticas
Tratamiento de la leucemia
crónica
Tratamiento del carcinoma celular
renal
Tratamiento del sarcoma de
Kaposi
Inmunización |
|
FACTORES DE CRECIMIENTO
Factor estimulante de las
colonias de granulocitos (GCSF)
Factor estimulante de las
colonias de granulocitos y macrófagos (GMSF)
Factor de crecimiento epidérmico |
Auxiliar en la terapia del cáncer
y tratamiento de disminución la médula ósea
Auxiliar en la terapia del cáncer
y tratamiento de disminución la médula ósea
Tratamiento de heridas,
quemaduras y úlceras |
Fuente:
Murrell, J.C., Roberts, L.M. Introducción a la Ingeniería genética. Limusa.
México, 1998.
Asimismo
una importante contribución de estos organismos promete ser la protección del
medio ambiente[6], pues las cianobacterias durante su ciclo metabólico absorben y, por
ende, ayudan a reducir de la atmósfera, el dióxido de carbono.
La
elaboración de compost (compostaje) y las tecnologías de aguas residuales son
ejemplos conocidos de la ‘antigua’ biotecnología ambiental. El uso de
microorganismos en procesos ambientales se encuentra desde el siglo XIX,
aunque esas aplicaciones pueden ser consideradas mas como destreza que como
ciencia. Hacia finales de 1950 y principios de 1960, cuando se descubrió la
estructura y función de las ácidos nucléicos, se puede distinguir entre la
biotecnología antigua tradicional y la biotecnología de segunda generación, la
cual, en parte, hace uso de la tecnología del ADN recombinante. 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 limpieza del agua residual fue una de las
aplicaciones iniciales, seguida por la purificación del aire y gases de
desecho mediante el uso de biofiltros.
Por su
parte, la biorremediación se está enfocando hacia el suelo y los residuos
sólidos, por lo cual están surgiendo complejas inquietudes e interrogantes
tanto científicas como técnicas, relacionadas con el escaso conocimiento de
las interacciones de los organismos entre sí, y con el suelo. Logros
destacados de la nueva biotecnología ambiental incluyen la limpieza de aguas y
de suelos contaminados con productos del petróleo. La biotecnología ambiental
(como otras biotecnologías) articula muchas disciplinas, interactúa con muchas
otras ramas de la ciencia y de la ingeniería, y puede ser vista como uno de
los sectores en donde se pueden vincular exitosamente iniciativas públicas y
privadas.
En relación con lixiviación bacteriana y
biominería, los microorganismos han venido usando y liberando minerales en
la corteza terrestre desde tiempos geológicamente antiguos. Por largo tiempo
las operaciones mineras se han beneficiado de las actividades de estos
microorganismos que se encuentran naturalmente, especialmente de la
habilidad de algunas bacterias de solubilizar y lixiviar metales de menas
(rocas mineralizadas) insolubles. Desde 1000 ac mineros en la cuenca del
Mediterráneo recuperaban el cobre que era lixiviado por bacterias en las
aguas de drenaje de las minas, aunque desconocían la actividad de las
bacterias. Los romanos en el siglo I, y posteriormente los galeses en el
siglo XVI y los españoles en el siglo XVIII, utilizaron sin duda la
lixiviación bacteriana para la recuperación de metales. Sin embargo, la
contribución de las bacterias en la lixiviación no fue reconocida sino hasta
el siglo XX. Los primeros reportes de que ciertas bacterias no identificadas
estaban involucradas en la lixiviación de sulfuros de zinc y de hierro se
presentaron hacia 1920. El papel fundamental de las bacterias en la
lixiviación de menas minerales se desatendió hasta 1947 cuando A. Colmer y
M.E. Hinkle de la Universidad de West Virginia describieron una bacteria (Tiobacillus
ferrooxidans) como el organismo responsable principal de la lixiviación de
menas de sulfuros metálicos.
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. La
biolixiviación ha recibido cada vez mayor atención porque la tecnología
tiene el potencial de aminorar algunos de los problemas que se presentan en
la industria minera. Un problema grave es el agotamiento de depósitos
minerales, cuya consecuencia es la necesidad de trabajar a mayores
profundidades.
En muchos casos, es posible utilizar bacterias
para lixiviar el mineral deseado de profundidades mayores, sin necesidad de
remover los depósitos, con lo cual se economizan los costos de mover grandes
tonelajes de menas y rocas de desecho a la superficie. Adicionalmente,
muchos procedimientos convencionales consumen grandes cantidades de energía.
La
biolixiviación de menas y concentrados puede suministrar una alternativa para
economizar energía. Por otro lado, la tecnología de la biominería presenta
beneficios ecológicos potenciales. Un problema frecuente y de larga data en
operaciones mineras ha sido la liberación incontrolada de metales y ácidos. La
lixiviación controlada puede dar como resultado tanto la recuperación de
metales valiosos, como la protección del ambiente de esta fuente de polución.
Bibliografía complementaria:
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NORMATIVA
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JURISPRUDENCIA
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ENSAYOS Y
NOTAS DOCTRINARIAS
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Monografías e
Investigaciones
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APUNTES Y
ACTUALIDAD
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UNIDADES/CLASES REFERENTES O DE TEMAS ASOCIADOS
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NOTAS:
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