1. Introducción a la Biotecnología




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título1. Introducción a la Biotecnología
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Los Alimentos Vacuna
1.- Introducción a la Biotecnología
1.1.- Definición
1.2.- Usos y Aplicaciones

-En la Agricultura
-Los Organismos Genéticamente Modificados
-En el Medio Ambiente
-La Biorremediación
-En la Medicina
-Diagnóstico de enfermedades y terapias génicas
-Creación de nuevos fármacos
-Otras aplicaciones
2.- Las plantas como Biofactorías
2.1.-Vacunas de nueva generación
2.2.- Aplicaciones de las plantas transgénicas en el desarrollo de nuevas vacunas
2.3.- Las vacunas comestibles
2.4.- Perspectivas de futuro


3.- Glosario
1.- Introducción a la Biotecnología

“Las nuevas técnicas biotecnológicas abren grandes posibilidades para mejorar la cantidad de alimentos disponibles y su calidad. Los productos obtenidos mediante el uso de estas técnicas son igual de seguros que los obtenidos con técnicas convencionales”.
Organización Mundial de la Salud

1.1.- Definición
Según indica la Organización para el Desarrollo y la Cooperación Económica, la Biotecnología es la aplicación de los principios de la ciencia e ingeniería al procesamiento de materiales a través de agentes biológicos.
Esta ciencia nació hace miles de años y ha ido evolucionando paralelamente a los avances científicos hasta convertirse en una ciencia precisa y aplicable a varias áreas de trabajo como es la salud, agroalimentación, industria o cuidado del medio ambiente.
Como consecuencia de esta evolución, hoy los científicos son capaces de identificar las acciones de los genes, escoger la que más se adecua a su propósito, extraerlo e implantarlo, creando una nueva generación de plantas en un tiempo récord.
1.2.- Usos y Aplicaciones





  1. Aplicaciones en la Agricultura





La Agricultura es uno de los sectores que más se ha beneficiado de la biotecnología en los últimos años. La decodificación del genoma de la Arabidposis, fue crucial para el desarrollo de los cultivos genéticamente modificados.
En 1982 se desarrolla la primera célula vegetal genéticamente modificada y un año más tarde aparece la soja resistente a herbicida. A partir de este momento, los científicos se centran en el desarrollo de nuevas variedades de cultivo que permitan a los agricultores aumentar sus cosechas, a la vez que reducen el impacto medioambiental de la agricultura.
Como consecuencia de la gran cantidad de ventajas que aportan estos cultivos, su uso se ha propagado muy rápidamente por todos los continentes:


  • Ventajas de la mejora biotecnológica sobre la convencional


-Las características que se van a incorporar pueden ser de cualquier procedencia y no es necesario que se encuentren en plantas que puedan ser hibridadas entre sí.
-En la planta transgénica se puede introducir un único gen nuevo, con lo que se preservan en su descendencia el resto de los genes de la planta tradicional.
-La modificación se realiza en mucho menos tiempo.1


  • Ventajas para los productores


-Reducción de los costes por la compra de productos fitosanitarios
-Mayores cosechas como consecuencia del mejor manejo de plagas y hierbas adventicias
-Reducción de los costes por gasoil y energía
-Mayor flexibilidad a la hora de la realizar las aplicaciones de fitosanitarios
-Menor exposición a los efectos nocivos de los productos fitosanitarios


  • Para los Consumidores/ Medio Ambiente


-Ayudan a conservar las fuentes naturales
-Impactan positivamente en la biodiversidad de la fauna y flora

-Menor exposición a los efectos negativos de las fumigaciones
-El maíz Bt reduce la presencia de micotoxina fumonixina
-Ayuda a preservar la estructura y nutrientes de la superficie de cultivo
-Permiten mejor control de la erosión, sobre todo combinados con técnicas de

agricultura de conservación o mínimo laboreo
-Mejoran la calidad del suelo y agua debido a la reducción de los residuos

pesticidas


Los Organismos Genéticamente Modificados
Se denominan Organismos Genéticamente Modificados (OGM) aquellos cuyo genoma ha sido modificado mediante técnicas de ingeniería genética, bien para introducir uno o varios genes nuevos o para modificar la función de un gen propio. Como consecuencia de esta alteración del código genético, el nuevo organismo muestra características distintas que se transmitirán a su descendencia como uno más de los genes de la planta.
Tipos de plantas y semillas modificadas genéticamente disponibles en la actualidad


  1. Variedades resistentes a insectos. Estas nuevas variedades tienen características genéticas que le confieren resistencia a ciertos insectos. Se las conoce como plantas Bt porque son capaces de expresar por ellas mismas la proteína Bt de la bacteria Bacillus thuringiensis, lo que les confiere resistencia a las larvas de diferentes lepidópteros como el taladro del maíz.



Imagen comparativa de mazorcas de maíz. En la primera se puede apreciar que los granos están intactos, mientras que la segunda muestra claramente los daños ocasionados por el taladro.



  1. Variedades tolerantes a herbicida. La inserción de un gen tolerante a herbicida permite a los agricultores usar herbicidas no selectivos sin que la planta se vea afectada directamente independientemente de la fase de crecimiento en la que se encuentre. Gracias a este tipo de variedades vegetales, el uso de herbicida es más concreto y no es necesario utilizar tanta cantidad favoreciendo así al medio ambiente.



Campo de ensayo de remolacha convencional (en primer término) junto a remolacha Roundup Ready, tolerante a glifosato.







  1. Medio Ambiente





¿Qué es la Biorremediación?

La descontaminación y detoxificación de los contaminantes químicos  presentes  en  un  ambiente  determinado  llevada  a  cabo por los microorganismos, se conoce genéricamente como biorremediación.
Para este fin se utilizan varias técnicas, aunque cada vez es más frecuente la corriente que se decanta por el uso de microorganismos, en especial bacterias y hongos, para la biorremediación de ambientes naturales y para el tratamiento de afluentes industriales o municipales.
Algunas aplicaciones: Paliar la catástrofe Natural provocada por el Prestige

Actualmente, científicos del Centro Superior de Investigaciones Científicas, CSIC, están trabajando con colonias de bacterias que degradan hidrocarburos; esto es, bacterias que se “comen” los derivados del petróleo.
Este tipo de organismos posee una dieta basada en fósforo y el nitrógeno, por lo que la propuesta de los científicos del CSIC consiste en fertilizar con estos elementos químicos la zona afectada por hidrocarburos y dejar que actúen las bacterias.
Con la acción de las bacterias, los científicos consiguen acelerar la recuperación propia del sistema en un periodo de tiempo razonable.




  1. Salud/ Medicina





Diagnóstico de enfermedades y terapias génicas

La Biotecnología actual es capaz de aportar nuevas herramientas que facilitan los procesos de diagnóstico de enfermedades infecciosas, tumores cancerígenos y de enfermedades hereditarias o de origen genético.
Una de estas herramientas son los biosensores; unos dispositivos de análisis que utilizan un ser vivo o producto derivado de este (enzimas, anticuerpos, etc.). Los más frecuentes son los derivados de enzimas, ya que gracias a la Biotecnología, las enzimas se pueden obtener en grandes cantidades y se pueden purificar muy fácilmente.
Creación de nuevos fármacos

La producción de nuevos fármacos ya sean naturales o sintéticos es otro modo de contribución de la Biotecnología en el campo de la salud y de la medicina.
En el caso de los fármacos naturales, como los antibióticos, la Biotecnología aporta medios que permiten su aislamiento y caracterización. Los científico pueden mejorar sus propiedades, bien mediante la manipulación genética del propio organismo productor como en el laboratorio o empleando enzimas u organismos genéticamente modificados.
La Biotecnología ofrece muchas ventajas para la producción de fármacos, como por ejemplo, la producción a gran escala y de forma segura de productos naturales que de otra manera no podría extraerse en suficiente cantidad como es el caso del interferón o la eritropoyetina. Lo mismo sucede con las hormonas que antes se obtenían de órganos humanos o animales y que hoy día se producen en fermentadores muy seguros, como la insulina.
Además, sus procesos de producción son más baratos y su impacto medioambiental se reduce, ya que muchos procesos de síntesis química altamente contaminantes pueden ser sustituidos.
Otras aplicaciones de la Biotecnología aplicada a la Salud y Medicina

Uno de los campos médicos en el que la Biotecnología está teniendo gran repercusión es la Medicina y Genética Forense, que se basa principalmente, en el análisis del ADN. Así, la Biotecnología está facilitando considerablemente la investigación criminal, delitos de agresión sexual y las pruebas de paternidad.
Por otro lado, la Biotecnología está contribuyendo favorablemente al conocimiento y estudio de las denominadas enfermedades huérfanas; es decir, aquellas patologías que afectan a un número muy reducido de pacientes. En muchas de estas patologías la Biotecnología puede aportar instrumentos clave para su diagnóstico precoz, e impulsar estudios que permitan el desarrollo de fármacos.


2.- Las plantas como Biofactorías2
La Biotecnología Vegetal es una de las aplicaciones más frecuentes de esta tecnología, encaminada al desarrollo y producción de plantas y cultivos genéticamente modificados para que presenten características agronómicas mejoradas. No obstante, esta no es la única finalidad de la Biotecnología Vegetal, que en los últimos años está permitiendo a los investigadores trabajar en para mejorar los productos extraídos de las plantas, como por ejemplo, obtener tomates de maduración retrasada, patatas más ricas en almidón, etc. Además, las plantas permiten pueden producir diferentes compuestos de interés, con una economía de costes y menos riesgos de toxicidad. En este sentido, actualmente existen investigaciones que han probado la viabilidad de producir enzimas industriales en plantas, así como plásticos fácilmente biodegradables, antígenos para vacunas, anticuerpos para inmunoterapia pasiva, etc.
Entre las principales ventajas que presentan las plantas para producir estas sustancias, destaca su bajo coste de fabricación, además de la seguridad de las sustancias así producidas, ya que en el sistema de producción no hay presencia de agentes infecciosos u oncológicos que puedan contaminar cultivos animales o bacterianos. Es por estos motivos por los que se está dedicando una atención especial a la producción en plantas de antígenos y anticuerpos para inmunización activa y pasiva, respectivamente.


Las vacunas de nueva generación

Las vacunas clásicas presentan limitaciones importantes como la aparición de efectos secundarios y complicaciones posteriores a la vacunación; presencia del patógeno activo en la vacuna; reversión por mutación del agente infectivo; por último existen patógenos para los que no es posible la obtención de vacunas, siguiendo las rutas clásicas.
De esta forma, los avances realizados en la aplicación de la biotecnología en la medicina y salud han permitido el desarrollo de vacunas de nueva generación que se comportan de forma más eficaz y segura que las vacunas clásicas.
Actualmente es posible generar inmunidad frente a un patógeno utilizando virus o bacterias no virulentos en cuyo genoma se introduce el gen o los genes que codifican los antígenos del patógenos del que se quiere obtener inmunidad.
Ventajas de las vacunas biotecnológicas

Para el desarrollo de estas vacunas de nueva generación se parte del conocimiento detallado del patógeno, por lo que se inactivan o se mutan sólo los genes escogidos. Esto permite un perfecto conocimiento de la composición molecular de la vacuna, garantizándose su seguridad, aumentándose su seguridad biológica y eliminando la posibilidad de que puedan revertir hacia el organismo patógeno original.
Otra ventaja es la ausencia de riesgos en la producción a escala industrial, ya que no se trabaja con organismos patógenos y, en muchos casos, se emplean como vacunas preparaciones más purificadas, reduciéndose el número y gravedad de las reacciones secundarias. Esto significa una reducción de los requerimientos de conservación, alargando la vida útil de las vacunas incluso en países con menos infraestructura de conservación de la cadena de frío.
Por último, la nueva generación de vacunas no presenta efectos secundarios ni complicaciones posteriores a la vacunación como en el caso de las vacunas clásicas.


Aplicaciones de las plantas transgénicas en el desarrollo de nuevas vacunas
a) La producción de antígenos

Existe cierta probabilidad de que el área más competitiva de la producción de proteínas xenogénicas en plantas sea la obtención de vacunas destinadas a la prevención de enfermedades animales y humanas.
No obstante, la producción de vacunas basadas en plantas con fines comerciales aún debe superar una serie de estadios. En primer lugar, es necesario producir en la planta suficiente cantidad de antígeno el cual, debe ser capaz de estimular una respuesta adecuada. Por otro lado, es imprescindible conseguir que la respuesta de memoria del antígeno sea capaz de proteger al huésped frente a la inoculación del patógeno y por último, hay que incrementar la escala de producción y procesar de forma adecuada el producto para su comercialización.



b) La producción de anticuerpos

Por otro lado, cada vez es más patente la utilidad de las plantas transgénicas a la hora de producir anticuerpos destinados a la inmunoterapia pasiva o en diagnóstico. Existen varios casos descritos de producción en plantas de minianticuerpos de una sola molécula formada por fusión, pero es preferible la expresión de anticuerpos completos, sobre todo para conseguir la inactivación eficiente de la proteína diana. Pero la introducción de dos genes dificulta la expresión de anticuerpos completos, por lo que los científicos han investigados otras vías. Así, se ha comprobado que transformando de forma independiente con los dos genes y después cruzando sexualmente las plantas resultantes es posible obtener plantas que produzcan abundantemente el anticuerpo funcional procesado correctamente.
Un ejemplo de la posibilidad que ofrecen estas plantas transgénicas es su protección frente a determinadas bacterias como es el caso de la S. mutans. La inmunoglobina A secretable (SigA) es el anticuerpo más abundante en las secreciones de las mucosas. Los científicos han demostrado que es posible ensamblar en plantas transgénicas complejos SigA y desarrollaron cuatro plantas transgénicas. Cruzando sexualmente las plantas obtuvieron una que, como demostraron los ensayos realizados en voluntarios humanos, es capaz de expresar anticuerpos que impiden la colonización de dientes y encías por S. mutans.; el mayor agente causante de la caries dental.


Las vacunas comestibles

Este es el término que se utiliza para designar aquellas plantas cuyas partes comestibles se utilizan como vacunas, como por ejemplo, tubérculos, frutos, hojas, etc. En un sentido más amplio, esta terminología se puede aplicar también, a otros alimentos, como los productos lácteos, que pudieran contener células genéticamente modificadas para producir los componentes antígenos específicos.
La idea de obtener vacunas comestibles a partir de plantas surge a principios de los años noventa y se debe al investigador americano Charles Arntzen, quien durante un viaje a la India se planteó la posibilidad de inmunizar a la población utilizando recursos alimenticias abundantes en la zona, como por ejemplo, los plátanos. En opinión de este científico, esta forma de vacunación aportaría grandes ventajas. Primero, se reducirían las jeringuillas, lo que supone, además de disminuir el riesgo de infecciones, ahorrar en costes sanitarios. Por otro lado, las vacunas comestibles abaratarían costes de producción al cultivarse en los países de procedencia y por último, su distribución estaría garantizada.
El primer trabajo que Arntzen realizó en este sentido fue con una planta de trabajo, a la que modificó genéticamente con un gen del virus de la Hepatitis B que pone en marcha el sistema inmunitario. Al inyectar extracto de la planta así modificada a ratones de laboratorio, éstos quedaron inmunizados contra la hepatitis B.
El siguiente paso fue conseguir que la proteína antígena estuviera presente en una planta comestible y escogió como modelo la patata. Una vez probada la viabilidad del experimento, Arntzen comenzó a trabajar con otros cultivos. En 2002 su tomate vacuna contra la diarrea ha sido escogido por la revista Time como uno de los mejores inventos desarrollados en 2002.
En la actualidad, existen ejemplos que demuestran que estas vacunas son viables, aunque todavía hay que mejorar algunos aspectos. Por ejemplo, es de común conocimiento que la vía oral no es la más adecuada para la vacunación, ya que la cantidad de antígeno necesaria más elevada, sobre todo si nos encontramos ante una vacuna viva. Por otro lado, los niveles de acumulación de antígeno en las plantas suelen estar muy por debajo de los necesarios para que con la mera ingestión de la planta el organismo quede inmunizado.
Además, hay que tener en cuenta que la irregular acumulación de antígenos en las plantas dificulta el control adecuado de las dosis y puede producir el efecto contrario al deseado.


Perspectivas de futuro

Los trabajos que se han ido desarrollando a lo largo de los últimos años han demostrado la capacidad de las plantas para producir proteínas ajenas de interés, tanto por sistema de expresión transitoria como permanente. No obstante, para la comercialización satisfactoria de estos productos aún es necesario un desarrollo más profundo de algunos factores clave como el coste de producción. Para conseguir que este sea más competitivo es preciso conseguir niveles de acumulación elevados y que no requiera de costosos procesos de purificación, además de permitir su almacenamiento, sin problemas de estabilidad.
De esta forma, es de prever que cuando los científicos dispongan de más conocimientos acerca de los factores que influyen en la estabilidad de las proteínas en las células vegetales, se podrán modificar las proteínas que se pretenda producir en la planta para limitar su degradación sin alterar el resto de sus propiedades.
Por otro lado, es necesario tener presente que para que se extienda el uso de proteínas recombinantes producidas en plantas es preciso que tengan aceptación social, por lo que se hace necesario la implantación de controles rigurosos que demuestren su inocuidad, además de la circulación de información clara y detallada sobre estos controles, así como de las ventajas de estos productos.


3.- Glosario

ADN: Ácido dexosirribonucleico. Este es el nombre por el que se conoce a la molécula química del que están compuestos los genes.
Biotecnología: Según indica la Organización para el Desarrollo y la Cooperación Económica, la Biotecnología es la aplicación de los principios de la ciencia e ingeniería al procesamiento de materiales a través de agentes biológicos.
Esta ciencia nació hace miles de años y ha ido evolucionando paralelamente a los avances científicos hasta convertirse en una ciencia precisa y aplicable a varias áreas de trabajo como es la salud, agroalimentación, industria o cuidado del medio ambiente.
Como consecuencia de esta evolución, hoy los científicos son capaces de identificar las acciones de los genes, escoger la que más se adecua a su propósito, extraerlo e implantarlo, creando una nueva generación de plantas en un tiempo récord.
Gen: Unidad biológica de la herencia, responsable de la aparición de los caracteres físicos bioquímicos o de comportamiento, que definen a un ser vivo, y que transmite la información hereditaria a generaciones futuras.
Genoma: Conjunto de genes de un organismo.
Organismos genéticamente modificados (OGM): Organismos cuyos genomas han sido modificados, bien para introducir uno o varios genes nuevos, o para modificar la función de algún gen propio. Como consecuencia de esta modificación, el organismo adquiere nueva características. Tipos de plantas genéticamente modificadas:


  1. Variedades resistentes a insectos. Estas nuevas variedades tienen características genéticas que le confieren resistencia a ciertos insectos. Se las conoce como plantas Bt porque son capaces de expresar por ellas mismas la proteína Bt de la bacteria Bacillus thuringiensis, lo que les confiere resistencia a las larvas de diferentes lepidópteros como el taladro del maíz.




  1. Variedades tolerantes a herbicida. La inserción de un gen tolerante a herbicida permite a los agricultores usar herbicidas no selectivos sin que la planta se vea afectada directamente independientemente de la fase de crecimiento en la que se encuentre. Gracias a este tipo de variedades vegetales, el uso de herbicida es más concreto y no es necesario utilizar tanta cantidad favoreciendo así al medio ambiente.



Anticuerpo: Proteína de gran especificidad producida por el sistema inmune en respuesta a una inmunización o invasión del cuerpo po4r algún microorganismo. Estas proteínas reciben el nombre de inmunoglobulinas.
Antígeno: Molécula capaz de producir anticuerpos y unirse a ellos.
Vacuna Recombinante: Vacuna obtenida por ingeniería genética

1 SEBIOT: Plantas transgénicas, preguntas y respuestas; 2000

2 La Biotecnología aplicada a la Agricultura, Profesor Juan Antonio García Álvarez, Centro Nacional de Biotecnología. Colección Vida Rural, Madrid, 2000.


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