Fundamentosy casos exitosos de

la biotecnologamoderna

Francisco G. Bolvar ZapataCompilador y editor

COMISIN INTERSECRETARIAL DE BIOSEGURIDAD YORGANISMOS GENTICAMENTE MODIFICADOS

CIBIOGEM MXICOInstituto de BiotecnologaUNAM

segunda edicin

FUNDAMENTOS Y CASOS EXITOSOS DE LA BIOTECNOLOGA MODERNA

FUNDAMENTOS Y CASOS EXITOSOS

DE LA BIOTECNOLOGA MODERNA

Francisco G. Bolvar ZapataCompilador y editor

Carlos F. Arias Ortiz Jorge A. Ascacio Martnez Hugo A. Barrera Saldaa Francisco G. Bolvar Zapata Pedro Bosch Guha Hctor M. Crdenas Cota

Mayra de la Torre Martnez Jordan Golubov Figueroa Mario M. Gonzlez Chavira Guillermo Gosset Lagarda Adolfo Gracia Gasca Ramn G. Guevara Gonzlez

Luis Herrera Estrella Agustn Lpez-Mungua Canales Miguel Martnez TrujilloGabriela M. Montero Morn Adalberto Noyola Robles Irmene Ortiz Lpez

Juan A. Osuna Castro Gerardo R. Padilla Rivas Octavio Paredes LpezAntonio A. Prez Maya Octavio T. Ramrez Reivich Sergio Revah Moiseev

Iram P. Rodrguez Snchez Celia N. Snchez Domnguez Jos A. Serratos HernndezJorge Sobern Mainero Francisco X. Sobern Mainero Irineo Torres PachecoEduardo Torres Snchez Jaime Uribe de la Mora Gustavo Viniegra Gonzlez

Mxico, 2007

COMISIN INTERSECRETARIAL DE BIOSEGURIDAD YORGANISMOS GENTICAMENTE MODIFICADOS

CIBIOGEM MXICOInstituto de BiotecnologaUNAM

Coordinacin editorial: Rosa Campos de la Rosa

Primera edicin: 2004Segunda edicin: 2007

D. R. 2007. EL COLEGIO NACIONALLuis Gonzlez Obregn nm. 23, Centro HistricoC. P. 06020, Mxico D. F.Tels. 57 02 17 79(fax) y 57 89 43 30

ISBN: 970-640-235-7 (Primera edicin)ISBN: 978-970-640-352-0 (Segunda edicin)

Impreso y hecho en MxicoPrinted and made in Mexico

www.colegionacional.org.mxcolnal@mail.internet.com.mx

gerardomarquezCuadro de textoTP248.2F852007Fundamentos y casos exitosos de la biotecnologa moderna / Francisco G. Bolvar Zapata, compilador y editor; [autores]Carlos F. Arias Ortiz ... [et al.] - 2 . Ed. - - Mxico, D.D. El Colegio Nacional, 2007. 718 p. ISBN 978-970-640-352-0 Coedicin con: Academia Mexicana de Ciencias; UNAM, Instituto deBiotecnologa; CONACYT; CIBIOGEM

1. Biotecnologa - -Mxico. I.. Bolvar Zapata, Francisco G., comp. II.Arias Ortiz, Carlos F., colab. III. El Colegio Nacional.

CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS Y ACLARACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1ALGUNOS ACONTECIMIENTOS RELEVANTES

PARA EL DESARROLLO DE LA BIOTECNOLOGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5INTRODUCCIN GENERALF. G. Bolvar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Seccin I

FUNDAMENTOS DE LA BIOTECNOLOGA MODERNA

Captulo IMOLCULAS INFORMACIONALES DE LA CLULA VIVA. CIDOS NUCLEICOS

Y PROTENAS

F. G. Bolvar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19La clula viva; componentes y funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Metabolismo celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Los cromosomas son las estructuras celulares donde reside

el material gentico. El concepto de gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23La estructura del DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26El DNA; su replicacin y la sntesis de RNA y de protenas . . . . . . . . . . . . 29Mutacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Las protenas; su estructura y funcin biolgica . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Regulacin de la expresin de los genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Caracterizacin de los procesos y de las herramientas celulares . . . . . . . . 53Bibliografa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Captulo IIINGENIERA GENTICA. LAS HERRAMIENTAS MOLECULARES Y LOS MTODOS

PARA AISLAR, CARACTERIZAR Y MANIPULAR EL DNAF. G. Bolvar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57La manipulacin in vitro del material gentico.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Las herramientas celulares; enzimologa de cidos nucleicos . . . . . . . . . 58

vii

Tcnicas para la generacin y separacin de fragmentos de DNA . . . . . . . 67Sntesis qumica de DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Mtodos para determinar la secuencia de nucletidos del DNA . . . . . . . . 71Reaccin en cadena de polimerasa o PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73El vehculo molecular; herramienta fundamental para la clonacin

molecular y expresin de DNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74El diseo y construccin de sistemas de expresin de material gentico

para la produccin de protenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Bibliografa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Captulo IIICIENCIA GENMICA, PROTEMICA Y BIOINFORMTICA. EL GENOMA,

EL TRANSCRIPTOMA Y EL PROTEOMA HUMANO

F. G. Bolvar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Genes interrumpidos en eucariontes; sntesis y procesamiento de RNA . . . 85El genoma, el transcriptoma y el proteoma del organismo vivo . . . . . . . . 87Las bases de datos de informacin genmica y protemica.

La bioinformtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Estudio de la expresin gnica y los microarreglos . . . . . . . . . . . . . . . 95El genoma, el transcriptoma y el proteoma humano . . . . . . . . . . . . . . 96El uso e impacto de la informacin genmica en la salud; el inicio

de la medicina molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Captulo IVSURGIMIENTO DE LA BIOTECNOLOGA MODERNA. MICROORGANISMOS

TRANSGNICOS Y PRODUCCIN DE PROTENAS HETERLOGAS

F. G. Bolvar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117El nacimiento de la biotecnologa moderna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Produccin de protenas recombinantes heterlogas de uso mdico

por mtodos de DNA recombinante; los primeros ejemplos . . . . . . . . 122Vacunas y anticuerpos recombinantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Animales y plantas transgnicas para la produccin

de protenas humanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Captulo VMANIPULACIN GENTICA DE ANIMALES. TRANSGNESIS Y CLONACINH. Barrera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Diseo y construccin de los primeros animales transgnicos . . . . . . . . 131Auge de la transgnesis experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134Metodologa para la construccin de animales transgnicos . . . . . . . . . 135Animales transgnicos con fines de investigacin bsica y aplicada . . . . . 141

viii

Ejemplo de transgnesis con fines comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Industria biotecnolgica de animales transgnicos . . . . . . . . . . . . . . . 151Clonacin animal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Mtodos de clonacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Primeros ejemplos de clonacin de animales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Aplicaciones de la clonacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157Reescribiendo la historia natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Captulo VIPLANTAS TRANSGNICASL. Herrera y M. Martnez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167La importancia de las tcnicas de fitomejoramiento para incrementar

la produccin agrcola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167Mtodos de transformacin gentica de plantas . . . . . . . . . . . . . . . . 169El sistema de Agrobacterium tumefaciens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170Biobalstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173Aplicaciones de la ingeniera gentica de plantas. . . . . . . . . . . . . . . . 174Mejoramiento de la composicin y cualidades de semillas y frutos . . . . . 175Alteracin de la vida de anaquel de frutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177Resistencia a virus, bacterias y hongos fitopatgenos. . . . . . . . . . . . . . 177Plantas transgnicas resistentes al ataque de insectos . . . . . . . . . . . . . 179Plantas transgnicas con mayor tolerancia a factores ambientales . . . . . . 180Las plantas como biorreactores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182Produccin de vacunas orales en plantas transgnicas . . . . . . . . . . . . . 183Produccin de plsticos biodegradables y nuevas fibras . . . . . . . . . . . . 184Uso comercial de plantas transgnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184Algunos aspectos de bioseguridad relacionados con la siembra

y consumo de productos transgnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186Perspectivas y conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Captulo VIIINGENIERA DE PROTENAS Y EVOLUCIN DIRIGIDAX. Sobern y G. M. Montero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195Las protenas como herramientas moleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . 195Biocatlisis y biotecnologa moderna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198Retos a resolver. Mitos y realidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200Enfoques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206mbito de oportunidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

ix

Captulo VIIIINGENIERA CELULAR MICROBIANAG. Gosset y F. G. Bolvar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219La produccin de bebidas y alimentos por procesos de fermentacin;

el nacimiento de la biotecnologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219Fisiologa celular microbiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221Transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221Metabolismo y redes metablicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224Regulacin gentica de la red metablica celular. . . . . . . . . . . . . . . . 233La importancia del conocimiento del transcriptoma y el proteoma

de la clula para la comprensin fina del metabolismo celular. . . . . . 234El metaboloma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235Anlisis de flujos metablicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235Anlisis de control metablico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237La ingeniera celular y la bioingeniera de procesos . . . . . . . . . . . . . . 238Estrategias generales de la ingeniera celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239Ingeniera celular para la produccin

de compuestos aromticos en E. coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240Caractersticas generales de las vas de sntesis de

compuestos aromticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240Modificacin de componentes de la va comn de sntesis de compuestos

aromticos para incrementar el flujo de carbono hacia la biosntesis deDAHP y corismato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

Modificacin del metabolismo central para canalizar esqueletos de carbono hacia la va de sntesis de compuestos aromticos . . . . . . 243

Cepas de E. coli productoras del aminocido fenilalanina . . . . . . . . . . . 246Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Captulo IXINGENIERA BIOQUMICAO. T. Ramrez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249La misin de la ingeniera bioqumica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249Los orgenes de la ingeniera bioqumica y los bioprocesos. . . . . . . . . . 250La ingeniera bioqumica moderna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254El cultivo de microorganismos, clulas y tejidos para la generacin

de productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256Entendiendo las caractersticas y requerimientos de la clula

para producir metabolitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259Estequiometra del crecimiento celular y produccin de metabolitos . . . 260Cintica del crecimiento celular y produccin de metabolitos . . . . . . . . 264Funcionamiento y diseo de biorreactores: importancia

x

del entorno celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270Fenmenos de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273Modos de operacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277El traslado del laboratorio a la industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281Escalamiento ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281Escalamiento descendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285Instrumentacin, control y optimizacin de bioprocesos . . . . . . . . . . . 288Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

Captulo XBIOTECNOLOGA Y BIODIVERSIDADJ. Sobern y J. Golubov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299La biodiversidad como riqueza natural estratgica de Mxico . . . . . . . . 299Biotecnologa y biodiversidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302Mtodos de la biologa molecular aplicados a la conservacin

y manejo de la biodiversidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303Posibles riesgos; la bioseguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308El potencial de la biotecnologa y la biodiversidad . . . . . . . . . . . . . . . 309Acceso a los recursos genticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

Captulo XIBIOTECNOLOGA AGROECOLGICA, BIODIVERSIDAD Y AGRICULTURA

SUSTENTABLE, J. A. Serratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317Biotecnologa agroecolgica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317Ecosistemas y agroecosistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321Situacin de los agroecosistemas en Mxico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325Agricultura sustentable y biotecnologa agroecolgica. . . . . . . . . . . . . 341Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

Seccin II

CASOS EXITOSOS DE LA BIOTECNOLOGA MODERNA

LA VACUNA CONTRA LA HEPATITIS B: UN XITO DE LA BIOTECNOLOGAC. F. Arias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355Contribucin de la biotecnologa al campo de la vacunacin . . . . . . . . 355La vacuna contra la hepatitis B: un xito de la biotecnologa . . . . . . . . 358Epidemiologa e importancia mdica de la hepatitis B . . . . . . . . . . . . 358Conocimiento de la biologa del virus como antecedente necesario

xi

para el desarrollo de la vacuna recombinante . . . . . . . . . . . . . . . . 361Historia del desarrollo de las vacunas contra hepatitis B . . . . . . . . . . . 364Impacto de la vacuna recombinante sobre la infeccin

por VHB y el CHC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366Esfuerzos en pases en desarrollo para producir la vacuna

recombinante de VHB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368Investigacin en Mxico sobre vacunas recombinantes . . . . . . . . . . . . 368Conclusiones y consideraciones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

LA PRODUCCIN DE HORMONAS DEL CRECIMIENTO POR TCNICAS DE INGENIERAGENTICA; SU UTILIZACIN EN LOS SECTORES DE LA SALUD Y PECUARIOH. A. Barrera, I. P. Rodrguez, C. N. Snchez, A. A. Prez, J. A. Ascacio y G. Padilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373La familia de la hormona del crecimiento (GH) . . . . . . . . . . . . . . . . 374Hormonas del complejo GH-PL del humano . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375Hormonas del crecimiento de origen animal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378Potencial biotecnolgico de las GHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381Sistemas de expresin para las hormonas del crecimiento . . . . . . . . . . 383Hormonas recombinantes del crecimiento: una oportunidad

para Mxico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384Perspectivas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

BIOTECNOLOGA FARMACUTICA MODERNA EN MXICO:EL CASO DE PROBIOMED, S.A. DE C.V.O. T. Ramrez, y J. Uribe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391Tendencias en biotecnologa farmacutica relevantes para

el caso Probiomed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406Probiomed S.A. de C.V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408Plataformas tecnolgicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411Investigacin y desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421Otras caractersticas distintivas del caso Probiomed . . . . . . . . . . . . . . 422El xito de Probiomed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

CASOS EXITOSOS DE LA TECNOLOGA ENZIMTICA Y LA BIOCATLISIS EN MXICOA. Lpez-Mungua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429El mercado en Mxico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

xii

Algunos ejemplos de desarrollos cientficos y tecnolgicos en la enzimologa y la biocatlisis en Mxico en los ltimos 25 aos . . 432

Produccin de leches deslactosadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433Produccin de fructosa a partir de agave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436Produccin enzimtica del cido 6 aminopenicilnico (6APA)

y penicilinas semisintticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438Aditivo enzimtico para retrasar el endurecimiento

de la tortilla de maz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440Enzimas en medios no convencionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444Las enzimas y los nuevos antivenenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

MEJORAMIENTO DE CARACTERSTICAS Y CALIDAD ALIMENTARIAS Y NUTRACUTICASDE PLANTAS MEDIANTE BIOTECNOLOGA MOLECULAR; ALGUNOS EJEMPLOSJ. A. Osuna y O. Paredes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451Biomacromolculas de inters alimentario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452Micronutrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471Alergenicidad en cultivos modificados genticamente. . . . . . . . . . . . . 492Consideraciones finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498

BIOCONTROL DE PLAGAS AGRCOLAS Y ENFERMEDADES DE LAS PLANTASE. Torres, H. M. Crdenas y Ma. M. de la Torre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505Biocontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506Biotecnologa y biocontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507Biocontrol en Mxico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515Regulacin de agentes para el control biolgico en Mxico . . . . . . . . . 518El caso de Agrobiolgicos del Noroeste S.A. de C.V. . . . . . . . . . . . . . . 519El futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

LAS HERRAMIENTAS BIOTECNOLGICAS PARA EL DIAGNSTICO DE ENFERMEDADESDE LAS PLANTAS Y PARA SU MEJORAMIENTO GENTICO

I. Torres, M. M. Gonzlez y R. G. Guevara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529El diagnstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530Mtodos inmunolgicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532Diagnstico molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538La deteccin de patgenos como base del diagnstico; casos exitosos . . . 541

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Experiencia en Mxico en el diagnstico molecular de virus en agricultura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

Alternativas y ventajas del diagnstico molecular para el manejo de variedades de plantas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

Genmica y diagnstico molecular en la agricultura . . . . . . . . . . . . . . 550Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

LA EXPERIENCIA DEL GRUPO SAVIA EN EL CAMPO MEXICANOP. Bosch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561Grupo Savia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562Participacin en Mxico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567Esquema conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567El mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569La tecnologa moderna de produccin agrcola y la participacin

del grupo Savia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569El caso de la micropropagacin de agave para la industria del tequila . . . 573Zonas de cultivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576Seleccin de socios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577Consideraciones finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578

DESARROLLO Y APLICACIN DEL PROCESO BIOFERMEL: UNA FERMENTACINLCTICA PARA EL APROVECHAMIENTO EFICIENTE DE LA MELAZA POR EL GANADO

G.Viniegra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580Investigacin y desarrollo de la invencin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585Desarrollo comercial del proceso Biofermel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590Oportunidades futuras para otras fermentaciones ganaderas . . . . . . . . 593Reflexiones sobre la estrategia de innovacin

y transferencia de la tecnologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595

UNA EXPERIENCIA EN EL DESARROLLO DE TECNOLOGA BIOLGICAPARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

A. Noyola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599La va biotecnolgica en el tratamiento de aguas residuales . . . . . . . . . 600Procesos anaerobios para el tratamiento de aguas residuales. . . . . . . . . 604Infraestructura de tratamiento de aguas residuales en Mxico. . . . . . . . 612Desarrollo y transferencia de una tecnologa anaerobia nacional . . . . . . 614

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Impacto del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621

EL DESARROLLO DE BIOPROCESOS PARA EL TRATAMIENTO DE AIRECONTAMINADO EMITIDO POR FUENTES FIJAS

S. Revah e I. Ortiz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625Tcnicas de tratamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627Mtodos biotecnolgicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630Fundamentos de los procesos de tratamiento de aire . . . . . . . . . . . . . 635El modelo de Ottengraf y van Den Oever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639Un proyecto exitoso Universidad-Industria: el desarrollo de biolavadores

para el tratamiento de efluentes gaseosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643Desarrollo de un proceso de purificacin biolgica . . . . . . . . . . . . . . 645Relevancia de la investigacin en biofiltracin . . . . . . . . . . . . . . . . . 653Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

PECES TRANSGNICOS EN ACUACULTURA; EL CASO DEL SUPERSALMNA. Gracia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659Potencial de la biotecnologa para el desarrollo de la acuacultura . . . . . 660Produccin de animales acuticos transgnicos . . . . . . . . . . . . . . . . 662Seleccin y construccin de genes recombinantes y mtodos

de transferencia gnica para la produccin de peces transgnicos . . . 664Construccin del supersalmn transgnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 667Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672

ANEXO: POR UN USO RESPONSABLE DE LOS ORGANISMOS GENTICAMENTEMODIFICADOS

Comit de Biotecnologa. Academia Mexicana de Ciencias . . . . . . . . . . . . . . 675

EXTRACTOS CURRICULARES DE LOS AUTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695

NDICE DE MATERIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719

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AGRADECIMIENTOS Y ACLARACIONES

Este libro fue publicado conjuntamente y gracias al apoyo del ConsejoNacional de Ciencia y Tecnologa (Conacyt), la Comisin Intersecretarialde Bioseguridad para el Manejo de Organismos Genticamente Modi-ficados (CIBIOGEM), la Academia Mexicana de Ciencias (AMC), el Institutode Biotecnologa, (IBt) de la UNAM, y El Colegio Nacional. Los autoresagradecen a estas instituciones y a aquellas en las que laboran, el apoyootorgado para la realizacin de esta obra.

Nuestro agradecimiento cordial y profundo a Renata Villalba por suapoyo para la elaboracin y la lectura cuidadosa de este libro, a SoniaCaro por su extraordinario apoyo en el proceso de la obra y a BeatrizPalmeros por su ayuda en la elaboracin de varias de las figuras.

Francisco G. Bolvar agradece a Ana Gutirrez la lectura crtica y cons-tructiva de los primeros cuatro captulos de este libro. Asimismo, agrade-ce el apoyo de Mara Elena vila y Rosa Campos, trabajadoras excelentesde El Colegio Nacional, por su apoyo en la edicin de los cuatroprimeros captulos de este libro, que fueron elaborados primariamentecon material actualizado y ampliado del tomo IV de sus Obras Completas,como miembro de esa institucin.

Asimismo, el captulo VIII de este libro es una versin ms detallada delcaptulo Ingeniera celular en microorganismos publicado en el libroFronteras de la biologa en los inicios del siglo XXI, mdulo 1 Genmica, pro-temica y bioinformtica, publicado en El Colegio Nacional (2003), porFrancisco G. Bolvar y Guillermo Gosset. De la misma manera el captu-lo VI de este libro est tomado de la misma publicacin Fronteras de la bio-loga en los inicios del siglo XXI mdulo 3, Biotecnologa agrcola publi-cado en El Colegio Nacional (2003), por Luis Herrera-Estrella y MiguelMartnez.

Francisco G. Bolvar agradece tambin a Susana Lpez y Carlos Ariassu autorizacin para utilizar informacin que se ha incorporado en elcaptulo III, en la seccin de Bases de datos de informacin genmica yprotemica. La bioinformtica. Esta informacin fue obtenida y adap-

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tada de su trabajo Los virus en la era genmica, publicado en el mdulo 1de Genmica, protemica y bioinformtica, Fronteras de la biologa en losinicios del siglo XXI, publicado por El Colegio Nacional (2003).

Los autores agradecen el uso de ciertas figuras que se han incorpora-do en diferentes captulos de este libro.

En particular Hugo Barrera agradece a las siguientes personas e insti-tuciones, por el uso de figuras que aparecen en el captulo V de este libro:a) Thomas Rulicke de Biologisches Zentrallabor, Institut fur Labor-tierkunde, Suiza, por el uso de la figura V.1; b) Lluis Montolin de Espaa,http://www.cnb.uam.es/montolin, por el uso de la figura V.2; c) MasureOkabe, Genome Information Research Center, Osaka University, Japn,por el uso de la figura V.4; d) John McLaughlin, Universidad de Penn-sylvania, EUA, por el uso de la figura V.5; e) T. T. Chen, Universidad deConnecticut, EUA, por el uso de la figura V.6; f) Roslin Institute,Edimburgo, Escocia, roslin.ac.uk.mailto:info@roslin.ac.uk por el uso de lafigura V.8; g) Jim Newman, Oregon Health and Science University, EUA,por el uso de la figura V.9. Hugo Barrera agradece tambin a las si-guientes personas e instituciones, por el uso de figuras en el caso exitoso:La produccin de hormonas de crecimiento por tcnicas de ingenieragentica: a) J. Ricky Cox (ricky.cox@murraystate.edu), Murray StateUniversity, EUA, por el uso de la figura 1; b) Edwina Lamkin, BresaGenLimited, EUA, por el uso de la figura 3. Luis Herrera agradece a IngoPotrikus por el uso de la figura VI. 3 publicada en el captulo VI de estelibro. Jorge Sobern agradece a Luis Eguiarte y Valeria Souza por el usode la figura X.3 que aparece en el captulo X; asimismo reconoce que lafigura X.1 fue elaborada con datos tomados de http://www.ncbi. nlm.nih.gov/taxonomy/tax.htlm/. Jos Antonio Serratos agradece a las si-guientes personas e instituciones por el uso de algunas figuras que apare-cen en el captulo XI de este libro: a) Teodoro Gonzlez de Len, miem-bro de El Colegio Nacional, por el uso de la figura XI.2 tomada del libroUna visin integradora (F. Bolvar y P. Rudomn, comps.), El ColegioNacional (2002), Mxico, D. F.; b) Rodolfo Dirzo, Instituto de Ecologa,UNAM, Mxico, por el uso de la figura XI.4, publicada en: Diversidadflorstica y estado de conservacin de las selvas tropicales de Mxico; en:Mxico ante los retos de la biodiversidad (J. Sarukhn y R. Dirzo comps.),CONABIO (1992), Mxico, D. F. Asmismo, reconoce que se utiliz infor-macin publicada por FAO para la elaboracin de varias figuras del cap-tulo X.1. Carlos Arias agradece a Gisle Lalibert, Copyright Officer,Information Management and Dissemination, WHO HQ, Ginebra, Suiza,

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por el uso de la figura 2, en el caso exitoso: La vacuna contra la hepati-tis B: un xito de la biotecnologa, y a Mara Antonieta Arias y SusanaLpez por la lectura crtica de este captulo. Mayra de la Torre agradecea Agrobiolgicos del Noroeste S. A. de C. V., el uso de la figura 4, en elcaso exitoso: Biocontrol de plagas agrcolas y enfermedades de las plan-tas. Agustn Lpez-Mungua agradece tambin a la empresa Neolac S. A.de C. V., el uso de la figura 1 publicada en el caso exitoso Casos exitososde la tecnologa enzimtica y la biocatlisis en Mxico.

En esta segunda edicin del libro, se incorporaron algunas modifica-ciones en los captulos I y III, con el propsito de actualizar el concepto degene. Hoy el gene se define como un segmento de DNA que codifica para unamolcula de RNA. Hay genes cuyos transcritos de RNA (RNA mensajeros), setraducen en protenas y hay otros genes cuyos transcritos de RNA no se tra-ducen en protenas. Algunas de estas molculas de RNA que no se traducenparticipan directamente en la sntesis de protenas a nivel de los ribosomas yotras molculas de RNA pequeas que tampoco se traducen, participan enmodular la traduccin de los RNAs mensajeros, y parecieran tener tambinotros papeles regulatorios en la estructuracin del genoma y en la diferen-ciacin celular.

Finalmente, se incorpora un anexo titulado Por un Uso Responsable delos Organismos Genticamente Modificados. Este texto fue elaborado porlos miembros del Comit de Biotecnologa de la Academia Mexicana deCiencias, con el propsito de sealar, por un lado, los beneficios del usoresponsable de los transgnicos, y por otro, sealar la necesidad de que laevaluacin de los posibles riesgos del uso de OGMs se realice conformeal marco jurdico que dicta la Ley de Bioseguridad de OGMs, aprobada por elCongreso de la Unin en abril de 2005.

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ALGUNOS ACONTECIMIENTOS RELEVANTES PARA EL DESARROLLO DE LA BIOTECNOLOGA

1796. E. Jensen desarrolla la primera vacuna contra la viruela.

1871. Se describe el cido desoxirribonucleico (DNA) en el esperma de latrucha.

1880. G. Mendel descubre que existen elementos genticos discretos(a los que posteriormente se les denomina genes), en donde resi-den caractersticas especficas de los organismos vivos y que sonheredados a la progenie.

1885. L. Pasteur desarrolla la vacuna contra la rabia.

1911. Se elaboran por T. Morgan y colaboradores, los primeros mapasgenticos en la mosca de la fruta.

1922. A. Flemming descubre la penicilina.

1944. Se demuestra por O. Avery, C. McLeod y M. McCarthy, que el DNAes la sustancia en donde reside la informacin gentica.

1953. Se describe la estructura conformacional de la doble hlice del DNApor J. Watson y F. Crick.

1958. M. Messelson y F. Stahl, demuestran que la replicacin del DNAocurre a travs de la separacin de las dos hlices del DNA y delcopiado de novo, de sus dos hlices para formar dos dobles hlicesidnticas a partir de la original.

1960. A. Kornberg aisla la enzima de DNA polimerasa.

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1961. S. Brenner y colaboradores descubren el RNA mensajero y demues-tran que tiene la informacin y la capacidad para dirigir la incor-poracin de aminocidos en la sntesis de las protenas.

M. Niremberger y colaboradores, establecen con base en las pro-puestas de F. Crick el cdigo gentico universal.

F. Jacob y colaboradores aislan el primer elemento que regula laexpresin y de los genes.

1967. Se aisla la enzima ligasa del DNA, que permite unir fragmentos deDNA de diferentes orgenes.

1970. H. Smith y colaboradores aislan la primera enzima nucleasa derestriccin que corta a los DNA en sitios especficos.

1973. S. Cohen y H. Boyer desarrollan el primer organismo transgnico,mediante la insercin de un fragmento de DNA de rana en un pls-mido bacteriano, introducido en la bacteria Escherichia coli.

1977. R. Maxam y W. Gilbert, y F. Sanger y colaboradores, desarrollansimultneamente mtodos para determinar la secuencia de losnucletidos del DNA.

Se establece que existen los intrones y los exones en los genes delos organismos superiores.

K. Itakura y colaboradores crean el primer organismo transgnicoque permite la sntesis de una hormona humana en bacterias.

1978. Se reporta la secuencia genmica completa de un virus; el deX174.

1979. Se crea la primera compaa en ingeniera gentica: Genentech,Inc., en EUA.

1981. Se reporta la secuencia del genoma de la mitocondria humana.

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1982. P. Valenzuela y colaboradores desarrollan el primer producto recom-binante que se utiliza como vacuna en humanos.

1983. Se disean y construyen las primeras plantas transgnicas, por M.Montagu y colaboradores.

1987. K. Mullis y colaboradores desarrollan el sistema de PCR que permiteamplificar millones de veces fragmentos especficos de DNA.

1988. Los Institutos Nacionales de Salud en EUA, a iniciativa de J.Watson, establecen la Oficina para la Investigacin del GenomaHumano.

1990. Tres grupos desarrollan simultneamente el mtodo de electro-foresis capilar que permite optimizar la automatizacin de losmtodos para la secuenciacin del DNA.

1995. Se reporta la secuencia nucleotdica del primer genoma de unorganismo vivo, el de la bacteria H. influenzae.

1996. Se reporta la secuencia nucleotdica del primer genoma de uneucarionte, el de la levadura S. cerevisiae.

1998. Se reporta la secuencia del primer genoma de un animal; el de C.elegans.

1999. Se reporta la secuencia nucleotdica del primer cromosomahumano (el 22).

2000. Se reporta la secuencia nucleotdica del primer genoma de unaplanta; el de A. thaliana.

2001. Se reporta por dos grupos en forma simultnea, la secuencianucleotdica del genoma humano.

2002. Se reportan las secuencias nucleotdicas de los genomas del ratny del arroz.

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INTRODUCCIN GENERAL

F. G. BOLVAR ZAPATA

Los experimentos pioneros de Jensen en 1796 y de Pasteur en 1885, quepermitieran la produccin de las primeras vacunas contra la viruela y larabia respectivamente, son ejemplos contundentes de la capacidad de lastcnicas de la biotecnologa para contender con problemas relevantespara la sociedad, en este caso con los organismos patgenos causantes deestas enfermedades.

La biotecnologa ha estado presente desde tiempos inmemorables enla solucin de muchos problemas importantes, no slo en el campo de lasalud, permitiendo la produccin de vacunas y antibiticos, sino tambinen el de la produccin de alimentos a travs de procesos de fermenta-cin, tales como el pan o la cerveza.

Sin embargo, hablar hoy de biotecnologa ya no remite de maneraexclusiva a procesos ligados a la produccin de alimentos y bebidas,como ocurra en el pasado reciente. Con la aparicin de la biologa mo-lecular, en los aos cincuenta, se descifra la estructura del material gen-tico, as como los mecanismos celulares que permiten traducir en prote-nas la informacin gentica. Por otro lado, en los aos setenta surgen lastcnicas de la ingeniera gentica y con ello la posibilidad de aislar, edi-tar y manipular el material gentico, logrndose incluso el transplante degenes entre especies, crendose as los organismos transgnicos. Esteconjunto de conocimientos sobre el material gentico y las protenas dela clula viva, as como de las metodologas para manipularlos, constitu-ye una de las plataformas de despegue de la biotecnologa moderna.

La segunda circunstancia que caracteriza la emergencia de la biotec-nologa moderna, se ubica en la transformacin conceptual del alcancede la ciencia. La ciencia y la tecnologa que de ella se derrama, no se con-ciben ya como la aplicacin del conocimiento a problemas individualesde disciplinas aisladas, a partir de un conjunto determinado de herra-mientas y mtodos particulares de la disciplina en cuestin. La ciencia se

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comprende ahora como un tipo de actividad de ndole multidisciplina-ria, en la que el xito en la solucin de problemas cientficos y socialescomplejos slo se podr vislumbrar con el concurso y la convergencia demltiples conocimientos, herramientas y estrategias.

La biotecnologa moderna se puede definir como una actividad mul-tidisciplinaria, cuyo sustento es el conocimiento de frontera generado endiversas disciplinas (entre otras, la biologa molecular, la ingeniera bio-qumica, la microbiologa, la genmica y la inmunologa), que permiteel estudio integral y la manipulacin de los sistemas biolgicos (micro-bios, plantas y animales). A partir de dicho estudio y de la manipulacinde los sistemas biolgicos, la biotecnologa moderna busca hacer un usointeligente, respetuoso y sustentable de la biodiversidad, mediante el de-sarrollo de tecnologa eficaz, limpia y competitiva, para facilitar la solu-cin de problemas importantes en sectores tales como el de la salud, elagropecuario, el industrial y del medio ambiente.

El papel que desempea as la biotecnologa moderna en el mundoactual es clave. El nuestro es un mundo contaminado y con ecosistemasdestruidos por los impactos de la industrializacin. Un mundo con una po-blacin en demanda creciente de alimentos, de agua, de recursos ener-gticos, de servicios de salud y vivienda, cuya satisfaccin implicar con-solidar, modernizar y adecuar la industria y la produccin agropecuariaa condiciones nacionales. Ante esta realidad, si no mantenemos una con-ciencia crtica y nos movemos hacia la bsqueda de alternativas tecnol-gicas eficaces, limpias, y respetuosas del medio ambiente iremos irreme-diablemente hacia escenarios de mayor contaminacin y degradacin.

La importancia de consolidar y desarrollar la biotecnologa modernaforma parte de una estrategia sustentable e inteligente hacia la naturale-za que propicie el uso, la preservacin y la recuperacin de la biodiver-sidad y de los ecosistemas de nuestro planeta y que, simultneamente,satisfaga las necesidades de la sociedad humana.

La biotecnologa moderna surge como se ha mencionado, de la capa-cidad de poder disear y construir organismos genticamente modifica-dos, mediante el uso de las tcnicas de ingeniera gentica. Para podercomprender los elementos que propician el surgimiento de estas meto-dologas, y con ello visualizar el amplio potencial de la biotecnologamoderna, es necesario recordar con detalle los experimentos y los con-ceptos fundamentales en el rea de la gentica y de la biologa molecu-lar, que dieron lugar al nacimiento y automatizacin de estas tcnicas dela ingeniera gentica y con ello el surgimiento de la biotecnologa mo-derna:

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La gentica nace hace cerca de 150 aos, con los experimentos deMendel de los cuales deriva el concepto de gene, como la instancia endonde reside la informacin responsable de caracteres hereditarios espe-cficos. Los trabajos de Mendel son redescubiertos a principios del siglopasado y sustentan el esfuerzo de experimentos pioneros, particular-mente en el caso de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) porMorgan y colaboradores, para el desarrollo de los primeros mapas gen-ticos que permitieron localizar la posicin relativa de los genes en los cro-mosomas de los seres vivos.

Durante la segunda mitad del siglo pasado fuimos testigos de la apari-cin y evolucin de la biologa molecular, de la ingeniera gentica y msrecientemente, de la genmica. En particular en 1944, Avery, McCleod yMcCarty demuestran que la informacin gentica de los seres vivos resi-de en un tipo de macromolcula biolgica llamada cido desoxirribo-nucleico, el DNA, por sus siglas en ingls. Nueve aos ms tarde, Watsony Crick, sustentados en el trabajo de varios fsicos y qumicos muy nota-bles, entre ellos Franklin, descubren la estructura de la doble hlice delDNA. Los siguientes veinte aos son testigos de los esfuerzos que permi-tieron entender cmo se replica el DNA y cmo la informacin genticalocalizada en regiones especficas del DNA, a las que hoy llamamos genes,permite la sntesis de molculas de cido ribonucleico (RNA) especficosy de protenas, que son las herramientas celulares con las que la clulaviva realiza sus funciones.

Gracias al conocimiento acumulado hasta ese momento sobre el fun-cionamiento de la clula viva, fue posible el desarrollo, en la dcada delos aos setenta en el siglo pasado, de las tcnicas poderosas de la inge-niera gentica o metodologa del DNA recombinante, mediante las cua-les es posible aislar, modificar y clonar genes y tambin construir orga-nismos transgnicos en el laboratorio, que han sido de indudable valorpara la humanidad. El impacto de esta tecnologa se hizo presente ini-cialmente en las reas de la salud y de la medicina, cuando se disearony construyeron microorganismos transgnicos productores de protenashumanas tales como insulina, interferones, hormonas de crecimiento,que hoy se utilizan en el tratamiento de diferentes problemticas clni-cas. Posteriormente, la ingeniera gentica alcanz al sector agropecua-rio con la presencia de microorganismos, plantas y animales transgnicosque han permitido la produccin de mejores cultivares, alimentos y otrossatisfactores. El industrial ser el tercer sector donde la biotecnologamoderna tendr un impacto maysculo, al transformar la industria qu-mica en una industria biotecnolgica respetuosa del medio ambiente,que no contamine.

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Ms adelante, a mediados de los ochenta el desarrollo y la automati-zacin de otras tcnicas poderosas de la biologa molecular, permiteavances adicionales muy importantes sobre el conocimiento del materialgentico, y su utilizacin para la solucin de problemas especficos. Enparticular destaca la tcnica llamada reaccin en cadena de la polime-rasa (polymerase chain reaction, PCR), que permite en unas pocas horasgenerar millones de copias idnticas a un fragmento original de DNA,constituyndose as en una herramienta podera para el diagnstico ge-ntico. Asimismo, las tcnicas de secuenciacin de DNA, permiten deter-minar la secuencia nucleotdica de todo el material gentico de un orga-nismo, y con ello, surge la ciencia genmica. Los primeros organismoscuyo material gentico fue completamente secuenciado a fines del siglopasado, fueron bacterias que tienen slo entre 3000 y 4000 genes comoparte de su genoma. Esfuerzos ms recientes permitieron determinar yala secuencia de organismos ms complejos llamados eucariontes. El pri-mer eucarionte secuenciado fue la levadura Saccharomyces cerevisiae y pos-teriormente se reporta tambin la secuencia de los genomas del gusanoCaenorhabditis elegans, de la mosca Drosophila melanogaster y de la primeraplanta Arabidopsis thaliana. Finalmente, a principios del ao 2001, dosgrupos, de manera simultnea e independiente, reportan la secuenciadel genoma humano, y posteriormente se reporta la secuencia nucleo-tdica del genoma del ratn y del arroz. A la fecha hay ms de mil geno-mas secuenciados.

Con la determinacin de la secuencia nucleotdica del genoma huma-no y la de otros muchos organismos con los que compartimos nuestroplaneta, nos adentramos, de manera profunda y novedosa, en el conoci-miento de la clula y del organismo vivo. Al conocer la secuencia detodos los genes que codifican para protenas de un organismo, es posi-ble deducir el proteoma de ese organismo, es decir, las secuencias deaminocidos de todas sus protenas. Con ello se inicia la ciencia prote-mica, la cual busca conocer la funcin y la interrelacin de todas las pro-tenas de un organismo. Asimismo, con la informacin que hoy se tiene,es posible empezar el estudio integral y global de la red metablica celu-lar y conocer la manera como la clula viva regula la expresin genticaen diferentes condiciones metablicas.

Hoy conocemos la secuencia de nuestros genes y de los productospara las que codifican. Al compararlas con las de otros seres vivos, real-mente nos damos cuenta, por un lado, de la gran cercana gentica y bio-lgica que existe entre los diferentes organismos vivos, con los que con-formamos la biodiversidad, y por otro de las diferencias que se seleccio-naron durante la evolucin entre los diversos sistemas biolgicos.

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Sin embargo, este nuevo conocimiento no resulta ser ms que unaetapa muy importante, pero finalmente una etapa, ya que si bien pode-mos enlistar genes, RNAs y protenas que pueden sintetizar muchos de losseres vivos y cuya interaccin entre ellas hace posible los procesos decrecimiento y multiplicacin de los organismos vivos, esto no significaque de forma inmediata conoceremos todos los detalles del funciona-miento de la clula viva. Hay, pues, mucho ms que conocer para enten-der el proceso mismo de la vida y para contender con los problemas delas enfermedades de los seres vivos.

Por otro lado, gracias al alcance de las tcnicas de DNA recombinantey de tcnicas de sntesis qumica de macromolculas biolgicas y de sucaracterizacin estructural, hemos sido testigos de un avance extraordi-nario en el conocimiento de la estructura y funcin de un gran nmerode genes y protenas. Con base en este conocimiento, se desarrolla la dis-ciplina denominada ingeniera de protenas, que tiene como fin la modi-ficacin dirigida de la estructura y por tanto de la funcin biolgica deestas macromolculas informacionales, y ms recientemente, las tcnicasde evolucin dirigida que permiten el diseo y la seleccin de nuevaspropiedades enzimticas en las protenas. Otra va muy importante paraaumentar la disponibilidad y variabilidad de enzimas surge del avance delas tcnicas de manejo y clonacin del DNA de organismos, en particularmicroorganismos provenientes de muestras y entornos diversos (comoagua, lodos y sedimentos y todo tipo de tejidos) que, aunadas a la bs-queda automatizada de actividades enzimticas, permiten eliminar elpaso del cultivo del microorganismo para aislar una nueva actividad. Seha observado que ms del 90% de los microorganismos presentes en unamuestra de agua o suelo naturales jams han sido identificados ni culti-vados. Las tcnicas mencionadas permiten, en conclusin, tener accesoa un vasto repertorio de biodiversidad previamente inexplotado. Por ssolo, este mayor acceso a la diversidad cataltica natural no es suficientepara contender con las necesidades de la industria moderna. Es de espe-rarse que, en general, para los compuestos no naturales (que son, desdeluego, la inmensa mayora de los que se utilizan en la actualidad), noexistan actividades enzimticas suficientemente eficaces para su sntesisy por esta razn continuar siendo necesario realizar cambios adecuadosa los catalizadores biolgicos.

Adems, en cuanto a la produccin industrial de macromolculas ymetabolitos biolgicos ha habido avances muy importantes en el rea dela ingeniera bioqumica, orientados a optimizar los procesos de escala-

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miento hacia arriba y hacia abajo, y en particular en aspectos de fermen-tacin y purificacin de metabolitos y macromolculas, principalmenteprotenas.

En los albores del siglo XXI nos encontramos ante un escenario extra-ordinario en cuanto a las posibilidades existentes para el diseo y desa-rrollo de organismos modificados genticamente (microorganismos, plan-tas y animales), con nuevas propiedades especficas y tambin en cuantoal diseo, manipulacin y orientacin de la maquinaria celular en proce-sos especficos para la produccin de molculas de inters social y comer-cial y para otro tipo de funciones. Consideramos que, con ello, estamosde facto empezando a construir una nueva rea a la que podramos defi-nir como la ingeniera de la clula viva.

Las consideraciones anteriores explican la frecuente mencin de labiotecnologa como la ms importante tecnologa de principios del sigloXXI, as como la reorientacin de grandes empresas hacia la biotecnolo-ga como su base tecnolgica fundamental.

En este libro se presenta la evidencia de cmo el conocimiento de lasdisciplinas que sustentan la biotecnologa, tales como la gentica, la inge-niera gentica, la ciencia genmica, la ingeniera de protenas, la micro-biologa, la ecologa, la ingeniera bioqumica, ha contribuido a cons-truir este nuevo paradigma del funcionamiento de la clula viva, y decmo a partir de la utilizacin de este conocimiento del funcionamien-to de la clula y sus componentes, surge como se ha sealado la posibili-dad de la modificacin dirigida de la clula viva, mediante las tcnicas dela ingeniera gentica y celular, y con ello el nacimiento de la biotecno-loga moderna. Para describir en detalle estos asuntos y para sealar posi-bles horizontes futuros en perspectiva, as como ejemplos de casos exito-sos de la biotecnologa moderna en el mundo y en nuestro pas, resultapertinente presentar inicialmente, en la primera seccin de este libro,un anlisis de los aspectos y los elementos fundamentales que han per-mitido el avance del conocimiento en estas disciplinas que sustentan labiotecnologa moderna. Posteriormente, en la segunda seccin del libro,se sealan ejemplos de casos exitosos de la biotecnologa, la mayor partede ellos en Mxico.

Conforme a lo anterior, en el primer captulo de este libro se analizanaquellos experimentos y contribuciones fundamentales, que han permi-tido alcanzar una visin molecular del funcionamiento celular y en par-ticular una idea bastante clara de cmo las molculas de DNA, en las quereside la informacin gentica de todos los seres vivos, se organizan, se

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replican y se transcriben para sintetizar RNAs. Los RNAs son de varios tiposy entre ellos, los llamados RNA mensajeros permiten la sntesis de las pro-tenas que son simultneamente las herramientas celulares y las molcu-las en donde reside la informacin funcional de la clula. En el segundocaptulo se aborda el tema de la ingeniera gentica, entendida stacomo un conjunto de metodologas y herramientas que permiten elmanejo in vitro del material gentico. En el tercer captulo del libro se dis-cuten los conceptos de genoma, transcriptoma y proteoma de la clulaviva y se hace nfasis en el anlisis del genoma del ser humano. En elcuarto captulo se analiza cmo a partir de las tcnicas de la ingenieragentica se lleva a cabo el surgimiento de la biotecnologa moderna y sesealan los primeros ejemplos de la construccin de organismos trans-gnicos y los impactos que han tenido inicialmente en el sector de lasalud y la medicina moderna. En el siguiente captulo, se lleva a cabo unadescripcin de la manipulacin gentica de animales, haciendo nfasisen la transgenosis y en la clonacin. En el captulo sexto se describen lastcnicas para la construccin de plantas transgnicas y se resean apli-caciones y controversias surgidas por su uso. En el siguiente captulo seabordan los conceptos de la ingeniera y la evolucin dirigida de prote-nas con el propsito de optimizar las funciones de este tipo de macro-molculas celulares. En el captulo octavo se aborda el tema de la inge-niera celular y se describen las estrategias y procesos encaminados aoptimizar la maquinaria celular para incrementar la produccin demetabolitos y macromolculas en diferentes procesos. En el captulonoveno se analiza el tema de la ingeniera bioqumica como el conjuntode conocimientos y mtodos con los que se cuenta para optimizar losprocesos de fermentacin y purificacin de clulas y sus productos, anivel de las plantas piloto y a nivel industrial. En el siguiente captulo seaborda el tema de la relacin entre la biotecnologa y la biodiversidad,sealando la importancia del conocimiento y del uso respetuoso y sus-tentable de los organismos vivos que habitan el planeta, mediante la bio-tecnologa moderna. En el ltimo captulo de esta primera seccin sediscute el tema de la biotecnologa agroecolgica, como la estrategia y elenfoque ms adecuados para contender con muchas de las demandas yproblemas de los sistemas agropecuarios particulares de Mxico. Enestos dos ltimos captulos al igual que en el sexto, tambin se presentaun anlisis de los posibles riesgos que implica el uso de cultivares trans-gnicos en particular en Mxico, por ser Centro de origen de muchasespecies.

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En la segunda seccin de este libro, como fuera sealado, se presen-tan casos exitosos de la biotecnologa moderna, que han tenido impactoen diferentes sectores. El primero de ellos, es el desarrollo de una vacu-na contra la hepatitis B, como el ejemplo inicial del uso de las tcnicasde la ingeniera gentica para contender, a este nivel, con enfermedadeshumanas. El segundo caso exitoso que se presenta es el de la produccinde hormonas de crecimiento, tambin a travs de las tcnicas del DNArecombinante, y su impacto y utilizacin en los sectores de la saludhumana y pecuario. Posteriormente, se presenta el esfuerzo de la com-paa Probiomed, S. A., para integrarse y transformarse en la primeraempresa mexicana productora de medicamentos recombinantes. Elcuarto ejemplo de los casos exitosos es en realidad un conjunto de logrosa nivel nacional englobados en el tema de la tecnologa enzimtica y labiocatlisis y sus impactos en diferentes sectores industriales, en particu-lar el alimentario y el farmacutico. El siguiente caso seala ejemplos deluso de la biotecnologa moderna para caracterizar y mejorar la calidadalimentaria y nutracutica de diferentes cultivares. En el sexto caso dexito se presentan esfuerzos realizados en el rea de biocontrol de plagasagrcolas en Mxico y se muestra la labor desarrollada conducente a lacreacin de una empresa nacional productora de bioinsecticidas. En elsiguiente ejemplo se analiza el uso de las herramientas biotecnlogicaspara el diagnstico de enfermedades de plantas en nuestro pas y para sumejoramiento gentico. En el siguiente caso exitoso, se seala el esfuer-zo y la experiencia del grupo Savia en el campo mexicano, con el pro-psito de buscar una participacin sustentada en principios tcnicos yconcertada con los diferentes actores, para lograr un mejor desarrollo dela agricultura nacional. En el noveno caso de xito se analiza el desarro-llo y aplicacin del proceso biofermel, una fermentacin lctica orien-tada al aprovechamiento eficiente de la melaza como alimento de gana-do y uno de los bioprocesos mexicanos patentados ms antiguos utiliza-dos en el campo. Los dos siguientes casos exitosos estn relacionados conproblemas de contaminacin a nivel nacional y los esfuerzos implemen-tados para usar tecnologa biolgica para biorremediarlos. En el prime-ro se analiza la experiencia en el desarrollo de la tecnologa para eltratamiento de aguas residuales, y en el segundo, se presenta el desarro-llo de bioprocesos para el tratamiento de aire contaminado emitido enfuentes fijas. Finalmente, en el ltimo ejemplo de un caso exitoso se pre-senta el impacto de la ingeniera gentica en el sector acucola, a travsdel desarrollo del salmn transgnico, con el objetivo de mejorar la capa-cidad de produccin de alimentos de origen acucola.

FUNDAMENTOS Y CASOS EXITOSOS DE LA BIOTECNOLOGA MODERNA

1 Seccin

Fundamentos de la biotecnologa moderna

Captulo I

MOLCULAS INFORMACIONALES DE LA CLULA VIVACIDOS NUCLEICOS Y PROTENAS

F. G. BOLVAR ZAPATA

LA CLULA VIVA; COMPONENTES Y FUNCIONES

Todos los seres vivos estamos integrados por una o ms clulas, que con-forman nuestro organismo. Los seres vivos ms sencillos, los llamadosprocariontes, estn constituidos por una sola clula, es decir son orga-nismos unicelulares. Los dems, son organismos que se denominaneucariontes. Muchos de los eucariontes, tales como el hombre y las plan-tas, son organismos pluricelulares, aunque tambin hay eucariontes uni-celulares, como la levadura (1).

Los procariontes, que incluyen a las bacterias y a las arqueas, son orga-nismos sencillos en los cuales su material gentico no se encuentra con-tenido por una membrana nuclear, como es el caso de los eucariontes,y por lo tanto el material gentico est en contacto directo con el cito-plasma celular. Los cromosomas bacterianos son relativamente sencillos,comparados con los de los ecuariontes, y para su duplicacin no requie-ren de procesos de meiosis y mitosis que s requieren los cromosomas de losorganismos eucariontes (2)(figura I.1).

Las clulas procariontes estn incluidas y delimitadas por membranasresistentes o semirrgidas, que les dan forma (esfrica, cilndrica, elonga-das, etc.), les protege del exterior y controla el paso de materiales del ex-terior de la clula al citoplasma celular y viceversa. Las membranas estncompuestas principalmente por lpidos y protenas, y de hecho estn for-madas por dos capas, la interna y la externa.

El citoplasma bacteriano es una solucin acuosa en el que se llevana cabo las reacciones bioqumicas de la clula procarionte. Contiene al ma-terial gentico, en la mayor parte de los casos un solo cromosoma aun-

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que hay procariontes con varios cromosomas, a los ribosomas, al con-junto de protenas y entre ellas, enzimas involucradas en la sntesis delmaterial gentico y de las mismas protenas a otras macromolculasbiolgicas (lpidos y carbohidratos), y al conjunto de molculas involu-cradas en el metabolismo de la clula.

Los ribosomas son estructuras esfricas compuestas de RNA y protena,en los cuales se lleva a cabo la sntesis de protenas, tal y como veremosms adelante. Cada ribosoma est compuesto por dos molculas grandesde RNA ribosomal llamadas 70S y 50S, y varias molculas ms pequeasde RNA, como el 5S. Adems, cada ribosoma tiene del orden de 50 pro-tenas diferentes. La bacteria tiene varios cientos de ribosomas que selocalizan en la parte interna de la membrana celular, para llevar a cabola funcin de la sntesis de protenas.

Las clulas eucariontes son clulas que tienen en promedio un tama-o de varios miles de veces mayor al de las clulas procariontes y cuyaestructura, organizacin y complejidad es tambin mucho mayor que elde las bacterias (1)(figura I.2).

Las clulas de los organismos eucariontes tienen una membrana plas-mtica que las delimita pero que tambin permite la comunicacin con las

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Figura I.1ESQUEMA DE LA CLULA PROCARIONTE

La figura muestra la composicin y organizacin de los elementos que integran la clu-la de los organismos procariontes.

Membrana interna

Nucleoide: cromosoma

Membrana externa

Flagelos

Plsmidos

Citoplasma

Ribosomas

Pared celular(peptidoglicano)

otras clulas del organismo. Al igual que en los procariontes, la membra-na est compuesta por lpidos y protenas e incluye una gran cantidad desubestructuras y organelos celulares entre los que destacan los siguientes:

La mitocondria. Es el organelo celular responsable del proceso de lasntesis biolgica del ATP (adenosin trifosfato), que es la molcula queprovee la energa para la mayor parte de las recciones de biosntesis enla clula. El ATP se sintetiza enzimticamente mediante un proceso cono-cido con el nombre de fosforilacin oxidativa. La mitocondria posee supropio material gentico (que es un solo cromosoma), en donde residela informacin para sintetizar muchas de las protenas involucradas eneste proceso. Muchos bilogos consideran que la mitocondria tuvo suorigen en un procarionte primitivo, que se asoci en algn momento dela evolucin, con el precursor de la clula eucarionte que hoy existe. Unaclula eucarionte tiene del orden de 150 mitocondrias. Las clulas de lasplantas, adems de las mitocondrias, contienen tambin los cloroplastos,que son organelos involucrados en el proceso de la fotosntesis. Los clo-roplastos tambin contienen su propio material gentico y tambin se

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Figura I.2ESQUEMA DE CLULA EUCARIONTE

La figura muestra la composicin y la organizacin de los organelos celulares que inte-gran las clulas de los eucariontes, que incluye a la especie humana.

Eucromatina(cromosomas)

Retculo endoplsmicorugoso Membrana celular

Bicapalipdica

Aparato de Golgi

Citoplasma

Peroxixoma

Lisosomas

Mitocondria

Retculo endoplsmicoliso

Ncleo

Nucleolo

cree que tienen un origen procarionte. El proceso de la fotosntesis esfundamental para la vida en la Tierra, y permite fijar la energa solar atravs de un pigmento conocido con el nombre de clorofila (que ademses responsable del color de las plantas) y a travs de este proceso gene-rar tambin ATP, como molcula de alta energa, para llevar a cabo lasfunciones celulares.

El retculo endoplsmico. Es un organelo cuya funcin primaria es la deasociarse a los ribosomas para servir de soporte en la sntesis de las pro-tenas. Los ribosomas de las clulas eucariontes son similares a aquellosde los procariontes, aunque son de mayor tamao y estn asociados for-mando estructuras de varios cientos de ellos, llamados polirribosomas,donde se sintetizan las protenas.

El aparato de Golgi. Es un organelo celular ligado al retculo endopls-mico, donde muchas de las protenas (y otras macromolculas) sinteti-zadas en el retculo, son incorporadas en el aparato de Golgi, que tam-bin es una estructura de origen membranal, y que permite exportary procesar las protenas sintetizadas. Otro tipo de organelo muy impor-tante en la clula cuya funcin est involucrada en la degradacin de losproductos proteicos (y de otro tipo de metabolitos), son los llamadoslisosomas, que son estructuras membranales que contienen enzimas conla capacidad de degradar macromolculas biolgicas.

El citoesqueleto celular. Es un organelo que est formado por microt-bulos y microfilamentos de protenas estructurales como la actina, lamiosina y la tubulina. Estas estructuras son las responsables de darleforma y organizar el citoplasma de la clula, dependiendo de la funcinde la clula y del tipo de estructuras celulares involucradas.

La diferencia ms importante entre las clulas de los procariontes y loseucariontes radica en que estos ltimos tienen sus cromosomas conteni-dos o aislados del resto de los organelos celulares, por una membrananuclear, conformando lo que se conoce con el nombre del ncleo de laclula eucarionte. Como veremos ms adelante, los cromosomas son lasestructuras u organelos celulares en los que reside la informacin gen-tica en las molculas del cido desoxirribonucleico o DNA. Los cromoso-mas son estructuras formadas por la asociacin de DNA con protenas ytambin con molculas de cido ribonucleico o RNA. Las protenas y losRNAs asociados a los cromosomas llevan a cabo funciones reguladoras yestructurales; entre estas protenas se encuentran las histonas. En elncleo de la clula tal y como se ver en detalle, se lleva a cabo el proce-so de transcripcin del DNA en RNA, y el fenmeno del procesamiento del

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RNA, para formar molculas maduras de RNA mensajero, de transferenciay ribosomal. El fenmeno de procesamiento del RNA, adquiere da a damayor importancia, y es responsable de la formacin en muchos casos,de varias molculas de RNA mensajero diferentes a partir de un solo gene,tal y como se ver ms adelante.

METABOLISMO CELULAR

La clula viva utiliza o metaboliza diferentes compuestos o molculasqumicas, para llevar a cabo sus funciones. Por ejemplo, usa la glucosa(molcula formada por seis tomos de carbono), como fuente de tomosde carbono y de energa, para sintetizar las diferentes molculas biolgi-cas.

Para ello requiere degradar o catabolizar la glucosa, rompindola endiferentes componentes y generando as energa y molculas de carbo-no ms pequeas; este proceso recibe el nombre de catabolismo. A par-tir de estos productos y utilizando diferentes estrategias y herramientas,la clula sintetiza nuevas molculas biolgicas, tales como aminocidos,nucletidos y a partir de ellos macromolculas biolgicas, tales comoprotenas y cidos nucleicos (DNA y RNA); este tipo de proceso se conocecomo anabolismo.

La clula regula gentica y enzimticamente sus procesos de degrada-cin y sntesis de molculas biolgicas. Todo este conjunto de reaccionesy procesos de degradacin/sntesis de compuestos biolgicos, recibe elnombre de metabolismo celular (1), el cual ser tratado con mayoramplitud en el captulo octavo de este libro.

LOS CROMOSOMAS SON LAS ESTRUCTURAS CELULARES DONDERESIDE EL MATERIAL GENTICO. EL CONCEPTO DE GENE

En las clulas de todo organismo vivo tenemos dos grandes tipos demacromolculas biolgicas en las que reside la informacin genticay funcional, mediante la cual la clula viva lleva a cabo sus funciones. Elprimer tipo de macromolculas informacionales son los cidos nuclei-cos: el DNA y el RNA; el otro tipo de macromolcula informacional son lasprotenas.

Hoy sabemos que el cido desoxirribonucleico (el DNA), es la molcu-la biolgica en la que reside la informacin gentica en todos los seres

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vivos y que esta molcula se encuentra formando parte de los cromoso-mas, que a su vez son estructuras que se localizan en el ncleo de las clu-las de animales y vegetales.

En las clulas del cuerpo humano hay 23 pares de cromosomas. Cadacromosoma humano est formado por una sola molcula de DNA quemide aproximadamente entre dos a seis cm de largo (dependiendo deltamao del cromosoma), la cual est asociada a muchos miles de mol-culas de RNA y de protenas, principalmente las llamadas histonas, cuyafuncin principal es proporcionarle estructura al cromosoma. En todosy cada uno de nuestros trillones de clulas existen 23 pares de cromoso-mas (con excepcin de las clulas gametos: espermatozoides y vulosdonde hay slo 23 cromosomas); cada juego de 23 cromosomas previe-ne originalmente de cada uno de nuestros padres (figura I.3).

Gracias a los trabajos pioneros de Mendel (3), a mediados del siglo XIXy de Morgan (4) a principios del siglo pasado, hoy se conoce que entodos los seres vivos los genes son segmentos de la molcula de DNA pre-sente en cada cromosoma y que los genes estn organizados de unamanera lineal en los cromosomas, anlogamente al arreglo de los seg-mentos de una cinta que codifica para canciones en un casete musical,

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Figura I.3ESQUEMA DE LOS CROMOSOMAS HUMANOS

La figura muestra los 22 cromosomas somticos o autosmicos y los dos cromoso-mas sexuales Y y X humanos. En ellos se localizan entre veinte y veinticinco milgenes y marcadores genticos humanos.

donde cada gene es un segmento de la cinta del DNA que codifica parauna molcula especfica de protena o para una molcula especfica deRNA que no se traduce en protena (figura I.4).

Los genes que codifican para protenas son secuencias del DNA que setranscriben en molculas especficas de RNA llamadas RNA mensajeros(mRNA). Posteriormente, estos RNA mensajeros, se traducen en los ribo-somas de las clulas y a partir de la secuencia de los nucletidos del mRNAse sintentiza la protena especfica codificada por ese RNA mensajero quees copia de un gene especfico. Los detalles de estos procesos de trans-cripcin y de traduccin se explican un poco ms adelante.

Un gene, como se ha sealado, puede codificar para un RNA que no setraduce en protena sino que funciona como RNA directamente.Ejemplos de estos RNAs son los que integran los ribosomas y los RNAs detransferencia que juegan papeles especficos e indispensables en la sn-tesis de protenas en la clula. Adems, hay un gran nmero de RNAs detamao pequeo (snRNA, microRNA, iRNA y otros) que juegan papelesimportantes en otras funciones celulares.

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Figura I.4

COMPOSICIN Y ORGANIZACIN DE LOS GENES EN LOS CROMOSOMAS

Los cromosomas son estructuras celulares que se encuentran localizados en elncleo de las clulas y estn formados por protenas y cido desoxirribonucleico(DNA). La informacin gentica reside en el DNA y los genes son segmentos espec-ficos de esta cinta gentica llamada DNA. Es importante recalcar que cada ser vivotiene un nmero especfico y diferente de cromosomas, con relacin a los demsorganismos vivos.

Recapitulando, hay dos tipos de genes: los que sus transcritos de RNAse traducen en protenas y los que sus transcritos no se traducen enprotenas. Se ha demostrado que los genes son responsables de las carac-tersticas fsicas de los individuos y se transmiten como parte de los cro-mosomas de padres a hijos conforme a reglas predecibles (3, 4 y 5). A lolargo de este libro en general, cuando se habla de genes se habla del tipode genes que codifican para protenas, a menos que se seale que songenes que codifican para RNAs que no se traducen.

Ms adelante, se comentan con mayor detalle las funciones de los RNAsque no se traducen en protenas. Sin embargo, antes es importantehablar de la estructura y de la funcin de la molcula de DNA donde resi-den los genes y de los mecanismos de transcripcin de DNA en RNA y detraduccin del RNA mensajero en protenas.

LA ESTRUCTURA DEL DNA

El trabajo de Griffith en 1928 y posteriormente el de los investigado-

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Figura I.5ESTRUCTURA DEL DNA: LAS BASES O LETRAS GENTICAS PRESENTES

EN LOS CIDOS NUCLEICOSLas bases guanina (G), adenina (A) y citosina (C) existen en el DNA y el RNA. La timina(T) slo se encuentra en el DNA y es sustituida por el uracilo (U) en el RNA. Estas bases, oletras genticas, estn unidas covalentemente al azcar desoxirribosa, para formar as losnucletidos o monmeros del DNA (ver figuras I.6 y I.7).

Citosina (c)

Adenina (A) Guanina (G)

Timina (T)Uracilo (C)

res ingleses Avery, McLeod y MacCarty, a mediados del siglo pasado, per-mitieron demostrar conclusivamente, que el tipo de molcula biolgicaen la cual reside la informacin gentica, es el cido desoxirribonuclei-co y no las protenas (6, 7). Esta contribucin extraordinaria, dio lugara que un importante esfuerzo cientfico se enfocara en ese momento, a de-terminar la composicin y la estructura qumica de la molcula del DNA.As, en 1951, el trabajo de Chargaff permiti determinar las cantidadesrelativas de adenina, timina, guanina y citosina, las cuatro letras del alfa-beto gentico de todo ser vivo (figura I.5), y demostrar que en cualquierDNA de cualquier organismo la cantidad molar de adenina es siempreigual a la de timina y tambin que la cantidad de citosina es la misma quede guanina (8), (figura I.6). El reporte de Avery y colaboradores indu-

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Figura I.6ESTRUCTURA DEL DNA: APAREAMIENTO ENTRE BASES COMPLEMENTARIAS

El DNA est formado por dos hebras o cadenas complementarias (ver figura 7). Las doshebras permanecen unidas entre s a travs de las uniones qumicas dbiles (tipo puentede hidrgeno), que se establecen entre cada dos nucletidos complementarios. Lo ante-rior significa que en una molcula de DNA, siempre habr la misma cantidad de adenina(A) que de timina (T) y la misma de citosina (C) que de guanina (G), tal y como fue de-mostrado por Chargaff.En la figura se muestran las uniones tipo puente de hidrgeno que se forman entre lospares de bases complementarios T=A y CG.

dablemente fue tambin el estmulo para que Franklin y Wilkins (9, 10)iniciaran estudios sobre las propiedades fsicas del DNA, que permitieronrealizar la observacin de que el DNA purificado y cristalizado era capazde generar patrones de difraccin de rayos X del tipo de un cristal,donde claramente aparecan ciertos elementos significativos que indica-ban caractersticas de simetra en la estructura de esta molcula.

Considerando toda esta informacin, James Watson y Francis Crickrealizaron en 1953 una de las contribuciones fundamentales a la biolo-ga moderna: el descubrimiento o desciframiento de la estructura mole-cular del DNA (11, 12) (figura I.7). Indudablemente, la estructura com-plementaria de la doble hlice del DNA y el descubrimiento de Averyy colaboradores, son los elementos que fundamentalmente demostraronque el DNA es en s mismo el material gentico de la clula viva.

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Figura I.7ESTRUCTURA DE LA MOLCULA DEL DNA

El DNA es una doble hlice donde cada una de ellas es un polmero integrado por mi-llones de nucletidos que son los monmeros del polmero. Cada nucletido est for-mado por una molcula de azcar llamada desoxirribosa, una base prica o pirimdicay un grupo fosfato. Las dos cadenas de DNA son antiparalelas y se unen entre s a travsde enlaces tipo puentes de hidrgeno que se forman entre las bases complementarias(A-T y G-C) entre las dos hebras del DNA. De esta manera se obtiene una estructura tipodoble hlice, donde las bases de los nucletidos se encuentran orientadas hacia el inte-rior de la doble hlice y los grupos fosfato, y las azcares desoxirribosas, hacia su exterior,formando los esqueletos fosfodiester de cada hlice. Los pares de nucletidos se encuen-tran separados entre s por 3.4 A y cada diez pares de nucletidos (34 A), se alcanza unavuelta de la hlice.

Hoy podemos decir, por lo que conocemos sobre el DNA, que el des-cubrimiento de su estructura qumica ha venido a ser uno de los ele-mentos unificadores en la biologa moderna ya que no slo la estructu-ra del DNA es la misma en todos los seres vivos, sino que, adems, la orga-nizacin y regulacin de los genes, que son fragmentos o segmentosespecficos de esta hlice doble, tambin tienen en lo general, carcteruniversal en todos los organismos vivos. Esta caracterstica es lo que pos-teriormente, en 1973, permiti el nacimiento de la ingeniera gentica,metodologa mediante la cual es posible la edicin a nivel molecular deeste material, tal y como lo veremos en detalle ms adelante en el cap-tulo IV. Podramos decir, como analoga con las cintas de videocasete,que el material gentico de todos los seres vivos tiene el mismo forma-to, y que por ello se pueden editar molecularmente en un tubo deensayo, DNAs de diferentes orgenes. Es relevante insistir en que la estruc-tura general del DNA es exactamente la misma en todos los seres vivos,desde las bacterias hasta nosotros, es decir, el DNA es una doble hlice for-mada por dos polmeros antiparalelos y complementarios. Cada una deestas dos hlices o polmeros est, a su vez, integrada por miles de millo-nes de nucletidos, que son como las cuentas (monmeros), en un collar(polmero). Hay slo cuatro tipos de monmeros o letras genticas en elDNA de todos los seres vivos, los cuales son llamados nucletidos y stosestn localizados a 3.4 A del siguiente monmero en el polmero queforma cada una de las dos hlices. Adems, en todo tipo de DNA, a unnucletido con la base adenina le corresponde siempre, en el nucleti-do de la hebra o hlice complementaria, uno con la base timina, y a todonucletido con la base guanina corresponde un nucletido con la basecitosina en la hebra complementaria (figura I.7). stas son reglas uni-versales para todos los DNAs en todos los seres vivos. La diferencia funda-mental entre todas las molculas de DNA que forman los diferentes cro-mosomas de los seres vivos, es la secuencia de los millones de estos cua-tro tipos de nucletidos con sus bases, A, T, G, C en cada molcula deDNA, de la misma manera en que slo existen 28 letras en el alfabeto paraformar todas las palabras, y es la secuencia diferente de estas letras lo queda un significado distinto a cada una de las palabras.

EL DNA; SU REPLICACIN Y LA SNTESIS DE RNA Y DE PROTENAS

Habindose descifrado la estructura del DNA en 1953, los esfuerzos seconcentran entonces en determinar los mecanismos moleculares que

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tiene la clula para contender con tres aspectos biolgicos fundamenta-les: a) la replicacin de su material gentico y su transferencia a lassiguientes generaciones; b) la sntesis de protenas a partir de la infor-macin gentica que reside en el DNA y c) la expresin de los genes enlos cromosomas.

Para 1975, se tena claro que el DNA, gracias a su estructura de doblehlice, era capaz de dar lugar, mediante el fenmeno llamado de repli-cacin propuesto tambin por Watson y Crick, a dos dobles hlices idn-ticas a partir de la doble hlice original. En este fenmeno, cada una delas cadenas de la hlice doble original sirve de molde para la sntesis de unanueva cadena complementaria, tal y como fue demostrado por Meselsony Stahl, generndose as dos dobles hlices iguales, una de las cuales setransfiere a la progenie y la otra permanece en el organismo original (13,14) (figura I.8).

Asimismo, gracias al trabajo pionero de Crick, Brenner, Nirembergy Ochoa entre otros, fue posible describir los mecanismos generales celu-lares involucrados en la decodificacin de la informacin gentica por laclula para dar lugar a la sntesis de protenas, mediante la propuestay comprobacin de los mecanismos de transcripcin del DNA en RNA men-sajero y traduccin de este RNA en protena (15, 16, 17, 18, 19) (figura I.9).

El primer paso en la sntesis de protenas, a partir de la informacinpresente en los genes a nivel del DNA, es la sntesis o formacin de unamolcula de RNA mensajero, especfica para cada gene, usando para ellocomo molde un segmento (un gene) de una de las dos cadenas del DNA(figuras I.9 y I.10). El RNA es una molcula qumicamente muy parecidaa una de las hebras del DNA ya que tambin est formado por cadenaslineales de nucletidos, por lo que la informacin gentica contenida enel DNA, es decir, el orden de deoxirribonucletidos de una de las hlicesdel DNA, de uno o varios genes, se transfiere uno a uno, a una secuenciade ribonucletidos complementaria en el proceso de la sntesis del RNA.Este proceso de transcripcin o sntesis del RNA es un proceso enzim-tico mediado por la enzima RNA polimerasa que siempre ocurre, al igualque la replicacin del DNA, en la direccin 5' a 3', y en la mayora de loscasos slo una de las dos cadenas del DNA es transcrita en una molcula deRNA (figura I.10). La iniciacin del proceso de transcripcin se lleva acabo en los sitios denominados promotores y este proceso est reguladofinamente en la clula tal y como se ver ms adelante.

En el caso de los procariontes que no tienen membrana nuclear, lasmolculas de RNA mensajero que se transcriben de los genes que codifi-

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Figura I.8REPLICACIN DEL DNA

La replicacin del DNA es el fenmeno que permite el copiado de una doble hlice deDNA, para generar dos dobles hlices idnticas a la original.La informacin gentica contenida en las molculas de DNA es perpetuada mediante lareplicacin. Durante este fenmeno, las dos cadenas se separan y cada una sirve demolde para sintetizar una nueva cadena complementaria. Este proceso tiene dos carac-tersticas intrnsecas: I) es semiconservado, ya que cada una de las dos cadenas de lamolcula original pasa intacta a cada una de las molculas hijas, mientras que la otracadena se sintetiza de novo, y II) siempre procede en la direccin 5' a 3'.

can para protenas, son inmediatamente traducidas a nivel de los riboso-mas para sintetizar las protenas (figuras I.10 y I.12). Sin embargo, en elcaso de los eucariontes que s tienen membrana nuclear, los RNA trans-critos a partir de los genes, deben ser transportados del ncleo al cito-plasma, a travs de esta membrana. Adems, es importante sealar comoveremos en detalle en el captulo III, que a diferencia de las bacterias, losgenes que codifican para protenas de los eucariontes contienen lasestructuras llamadas intrones. Estas estructuras, que son tambin DNA,estn interrumpiendo las regiones del gene que codifican para la prote-na y que son llamadas exones. Como resultado de esta situacin al sin-tetizarse RNA a partir de un gene durante el proceso de transcripcin, lamolcula de RNA resultante incluye tanto las regiones de los intrones

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Figura I.9EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGA

El dogma central de la biologa molecular indica el flujo de la informacin gentica. Enel DNA se encuentran los genes, en todas las clulas de los organismos vivos. A partir dela informacin localizada en esta molcula de doble hlice, una clula sintetiza todas susprotenas. Esto se lleva a cabo mediante dos mecanismos: la transcripcin, que es la sn-tesis de molculas de RNA usando regiones especficas o genes del DNA como templado omolde, y la traduccin, que es la sntesis de protenas a travs de la lectura de las mol-culas del RNA mensajero en los ribosomas. Adems el DNA, como ya se ha mencionado,tiene la funcin de autorreplicarse.

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como la de los exones. Hoy sabemos y se ver en detalle en el captuloIII, que las molculas de RNA mensajero, que llevan intrones y exones,resultantes del proceso de transcripcin que se lleva a cabo en los ncle-os de las clulas de los eucariontes, deben ser procesadas para dar lugara las molculas de los RNA mensajeros maduras, ms pequeas, que sonexportadas del ncleo de la clula al citoplasma, donde son luego tra-ducidas en protenas (ver figuras I.12 y III. 1)

Existen muchos genes en la clula que no codifican para protena ycuyos transcritos de RNA son indispensables para el proceso de la traduc-cin de los RNA mensajeros en los ribosomas. Entre estos genes estn losque codifican para los RNAs que integran las dos subunidades (grande ypequea) de los ribosomas (rRNA). Los genes que codifican para estasdos molculas de RNA se transcriben constantemente en la clula y sus

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Figura I.11EL CDIGO GENTICO ES UNIVERSAL

El cdigo gentico es universal, es decir, es utilizado de la misma manera en todos losseres vivos. Este cdigo es el que permite a la clula de cualquier organismo traducir enprotenas la informacin gentica almacenada en los genes que codifican para protenasque se localizan en el DNA, mediante la lectura, en bloques de tres nucletidos (tripleteso codones) de la informacin gentica presente en el RNA mensajero. Las protenas sonpolmeros o grandes collares biolgicos de decenas o centenas de aminocidos, en lascuales cada aminocido (o cuenta del collar) es un monmero (ver figuras I.12 y I.16).Son veinte diferentes aminocidos con los que cuenta la clula para integrar las ms decien mil protenas del cuerpo humano. Se puede hacer una analoga entre letras del alfa-beto que seran los aminocidos, y las palabras que seran las protenas; el orden de lasletras es responsable del significado de las palabras, de la misma manera que el orden delos aminocidos en la protena es responsable de su significado o funcin biolgica.

Cada uno de los veinte diferentes aminocidos est codificado por un triplete ocodn, de tres nucletidos, a nivel del RNA mensajero. El RNA mensajero es, pues, una mo-lcula formada por una secuencia de nucletidos. Esta informacin es traducida en pro-tenas al ser ledos estos nucletidos, de tres en tres, por los ribosomas tal y como se mues-tran en la figura I.12.

En un cdigo de cuatro letras genticas (AGCT) organizado en tripletes, puede haber64 diferentes tripletes y la figura muestra estas 64 posibles combinaciones. Como puedeverse, hay aminocidos que estn codi