Historia de la biotecnología: ancestros, aplicaciones modernas y nacimiento de la bioinformática
Historia de la biotecnología: antepasados, aplicaciones modernas y nacimiento de la bioinformática.
Antes de discutir en detalle los logros de la biotecnología moderna, veamos cómo ha evolucionado esta ciencia a lo largo de los siglos. Para la mayoría de las personas, la biotecnología es un término asociado con la ciencia moderna.
Sin embargo, sus raíces se remontan a varios siglos. De hecho, Karl Ereky, un ingeniero húngaro, acuñó el término 'biotecnología' en 1919. En ese momento, se refería al proceso de desarrollo de productos a partir de materias primas con la ayuda de organismos vivos.
Biotecnología para nuestros antepasados:
El hombre ha estado manipulando organismos vivos para mejorar su forma de vida durante siglos, mucho antes de que Ereky le pusiera un nombre. De hecho, el concepto mismo de elaborar vino y hornear pan conlleva las semillas de la biotecnología. Lo mismo se puede decir del apareamiento de pares de animales apropiados para obtener los rasgos físicos deseados.
En el proceso de hornear pan, los panaderos agregan células de levadura a la masa. Esta levadura consume los nutrientes de la masa para su propia supervivencia, generando así alcohol y gas dióxido de carbono. El alcohol contribuye al rico aroma del pan horneado. Del mismo modo, en la industria de la cerveza, las células de levadura se utilizan para descomponer el almidón del grano en azúcar para formar alcohol. Por lo tanto, incluso en la antigüedad, nuestros antepasados producían alimentos al permitir que los organismos vivos actuaran sobre otros ingredientes.
A finales del siglo XVIII y principios del XIX, comenzó la era de la vacunación, la rotación de cultivos y la maquinaria de extracción animal. El descubrimiento de microorganismos y su importancia llevaron al establecimiento de procesos microbianos por científicos legendarios como Robert Koch, Louis Pasteur y Joseph Lister.
Los albores del siglo XX dieron paso a la revolución industrial y agrícola. Durante la Primera Guerra Mundial, se desarrollaron procesos de fermentación para producir acetona y solventes de pintura para la industria automotriz en rápido crecimiento. El tratamiento de aguas residuales y el compostaje municipal de desechos sólidos se utilizaron ampliamente en todo el mundo.
La era de las aplicaciones modernas:
La base de las aplicaciones biotecnológicas modernas se remonta a 1866, cuando el monje checo Greger Mendel realizó un estudio exhaustivo en el guisante de jardín y concluyó que la genética era responsable de la herencia y la transferencia de rasgos.
En 1869, el químico suizo Johann Miescher descubrió la 'nucleina' en los núcleos de las células. Esto se denominó ácido nucleico y se clasificó adicionalmente como ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Luego, en 1882, estudios posteriores del embriólogo alemán Walter Fleming revelaron la existencia de cromosomas. El zoólogo alemán August Weismann demostró que estos son los portadores de instrucciones hereditarias.
En 1903 se agregó otra dimensión a la evolución del rompecabezas, cuando el biólogo estadounidense WS Sutton propuso que los genes se encuentran en los cromosomas. Esto, a su vez, llevó a una mayor investigación, y el biólogo danés Wilhelm Johanssen acuñó el término "gen" en 1911.
También describió que el genotipo (composición genética) y el fenotipo (apariencia externa abierta a la influencia del medio ambiente) son dos factores distintos. Para investigar más a fondo estos cromosomas y genes, el genetista estadounidense Thomas Hunt Morgan y su equipo idearon técnicas para preparar mapas genéticos (de los cromosomas de la mosca de la fruta) en 1922, sugiriendo que los cromosomas son grupos de genes vinculados.
La transferencia de genes de un organismo a otro fue posible en 1928, cuando Fedrick Griffith descubrió el fenómeno de la "transformación", en el que un principio desconocido transforma una cepa inofensiva de bacterias en una cepa virulenta.
En 1944, Oswald Avery y su grupo en el Instituto Rockefeller, Nueva York, demostraron por primera vez que los genes están compuestos de ácido desoxirribonucleico, el ADN, que es la sustancia fundamental formada por cuatro bases: adenina, timina, guanina y citosina. Es responsable de la transmisión de caracteres hereditarios.
El trabajo de Lederberg y Tatum demostró que el intercambio sexual de material genético es posible en las bacterias. El trabajo de Erwin Chargaff en 1948 mostró además que la base de adenina se emparejará con la timina y que la citosina correspondería a la guanina. Esta información demostró ser extremadamente significativa para determinar la estructura del ADN. El trabajo de Rosalind Frankalin (1952) sobre la difracción de rayos X fue instrumental en la posterior dilucidación de la estructura molecular del ADN.
Sin embargo, el verdadero gran avance se produjo con el trabajo de James Watson y Francis Crick en 1953, cuando desentrañaron la estructura de doble hélice del ADN. Cuando su trabajo recibió el Premio Nobel en 1962, abrió las compuertas del conocimiento para científicos de todo el mundo.
Más información sobre el ADN y su manipulación en un sistema libre de células siguió cuando Kornenberg demostró que el ADN podía sintetizarse en un extracto bacteriano libre de células. También demostró que la participación de una enzima específica (ADN polimerasa) es necesaria para vincular los precursores de nucleótidos del ADN, y que la enzima funciona solo en presencia de una plantilla de ADN. En 1967, Szybalski y Summers descubrieron que solo una cadena ( la cadena de sentido) actúa como una plantilla para la transcripción de ARN de una plantilla de ADN.
En 1969, Marshall Nirenberg y su equipo descifraron el código del triplete que mapea los codones del ARN mensajero a aminoácidos específicos. En el mismo año, Jonathan Beckwith aisló un gen por primera vez de una bacteria cuyo producto proteínico está involucrado en el metabolismo del azúcar. Esto fue seguido por una síntesis química del gen por Har Gobind Khorana y su grupo de investigación en 1970, que dio origen a la ciencia de la genética química.
El aislamiento de la enzima, DNA Ligase por Walter Gilbert resultó ser una verdadera bendición para la manipulación química del gen. Actuó como un pegamento molecular para unir las diversas piezas de ADN. Mertz y Davis aislaron otra poderosa enzima, la enzima de restricción, en 1972.
Su trabajo confirmó que la EcoRI, o la endonucleasa de restricción, corta el ADN en un sitio específico, que tiene una longitud de cuatro a seis nucleótidos. Estas enzimas demostraron ser las tijeras moleculares que podían cortar el ADN en posiciones precisas. Por lo tanto, estas dos enzimas se convirtieron en los caballos de batalla de las modernas modulaciones de biotecnología.
En 1972, Paul Berg y su equipo utilizaron estas enzimas para cortar, pegar y, por lo tanto, adaptar el ADN, para producir la primera molécula de ADN recombinante. Stanley Cohen y Herbert Boyer continuaron con este estudio en 1973 e insertaron un gen de un sapo de garras africano en el ADN bacteriano. Este fue el comienzo de la era de la ingeniería genética. Frederick Sanger y su equipo publicaron la primera secuencia de un genoma para un organismo: el bacteriófago en 1977.
Otro avance importante se logró cuando Schell en Bélgica y Nester Gordon y Dell-Chilton en EE. UU. Demostraron que la transferencia de genes era posible utilizando la bacteria Agro bacterium tumefaciens como portador. Este descubrimiento facilitó la ingeniería genética para las especies de plantas. El siguiente gran paso fue la invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) por Kary Mullis en 1983. Esta invención trajo maravillas para el ritmo de la ciencia genética y el desarrollo tecnológico.
Posteriormente, muchos otros científicos de todo el mundo intentaron abordar otras cuestiones igualmente importantes en este campo. En 1984, Alec Jeffrey desarrolló la ahora famosa técnica de "huellas genéticas", que se puede usar para identificar a los individuos mediante el análisis de las diferentes secuencias (polimorfismos) en el ADN. Los años 80 también vieron la ingeniería del microorganismo recombinante por Anand Chakrabarty, el científico indio que trabaja en los Estados Unidos. Por primera vez, se utilizaron microorganismos para limpiar derrames de petróleo.
La primera vacuna rDNA para animales para la coliobacilosis y la insulina recombinante también fue aprobada para su uso en este período. Además, la primera transferencia cruzada específica de un gen (un gen humano insertado en un ratón) y la primera planta transgénica también se informó durante la década de los ochenta.
El Proyecto del genoma humano se inició en 1986 con el objetivo de secuenciar todo el genoma humano y proporcionar un catálogo completo de cada gen humano. Estos estudios iniciales llevaron a un esfuerzo de colaboración para mapear y secuenciar todo el genoma humano. En 1995, el Instituto de Investigación Genómica (Venter, Smith, Fraser y su grupo) informó la primera secuencia completa de ADN del genoma de un organismo vivo libre: la bacteria Haemophilus influenza.
Esto fue seguido por el informe de 1997 que muestra la secuencia completa del genoma de un eucariota, el primer organismo con membranas nucleares. Esta fue la levadura Saccharomyces cerevisiae. El primer genoma de un organismo multicelular, la secuencia de ADN de 97 mega bases del gusano redondo Caenorhabditis elegans, fue publicado en 1998 por John Sulston y Bob Waterston.
El primer cromosoma humano 22 se secuenció en 1999. El Proyecto del Genoma Humano anunció el borrador de trabajo de todo el contenido de ADN de un genoma hurriano en julio de 2000. Esto marcó el comienzo de la era posgenómica. Gran progreso se ha hecho en el campo desde entonces. El mapeo completo del genoma de una planta, el genoma de Arabidopsis es un ejemplo sorprendente.
Todo este trabajo innovador sobre el genoma ha sido posible gracias al desarrollo de técnicas extremadamente sofisticadas. Por ejemplo, la técnica de Microchip se utiliza para estudiar múltiples genes simultáneamente.
Con esta técnica, los científicos ahora pueden analizar directamente varios genes (en el ARNm, es decir, la transcripción) o proteínas (proteoma). Este y otros estudios innovadores también han ayudado a descubrir datos muy interesantes sobre el origen y la evolución de las formas de vida.
El nacimiento de la bioinformática:
El uso de tales métodos avanzados a su vez hizo posible establecer enormes bases de datos genéticos que actualmente contienen secuencias genómicas de un gran número de organismos y datos estructurales de proteínas. El tamaño de esta información sería imposible de manejar sin el uso de potentes programas de software y computadoras.
Esto ha dado a luz a la ciencia de la bioinformática, que describe la extracción de información de secuencias biológicas para predecir la función de los genes, la estructura de las proteínas y el ARN, la regulación de los genes, la organización del genoma y la historia filogenética de los genes y las familias de genes. De hecho, la integración exitosa de los bancos de datos experimentales y bibliográficos ha ayudado a producir una infraestructura científica sustancial para la investigación agrícola y biomédica.
La evolución de la biotecnología nos ha ayudado a comprender la evolución de la vida. Al desentrañar este misterio, la secuenciación del genoma humano, vegetal y de otros organismos ofrece continuamente una gran cantidad de beneficios.
Nos está ayudando a enfrentar los problemas de enfermedades, plagas, desafíos ambientales y, sobre todo, el crecimiento de la población. El desarrollo de esta ciencia ciertamente ha demostrado ser uno de los mayores logros del siglo XX, y promete ser igual de emocionante y quizás incluso más emocionante en el nuevo milenio.
