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Desde el tiempo de la domesticación del fuego y la elaboración de las herramientas de piedra, era obvio que nuestras habilidades podían ser usadas tanto para el mal como para el bien. Pero no fue sino hasta hace muy recientemente que nos dimos cuenta que incluso el uso benigno de nuestra inteligencia y de nuestras herramientas podría – porque no somos lo suficientemente inteligentes para prever todas las consecuencias – ponernos en riesgo

                                                                Carl Sagan – Billones & Billones


Variación

Si comparamos el ADN de cualquier par de humanos, si miramos las dos series de 3000 millones de nucleótidos lado a lado podemos contar el número de posiciones en que difieren. Si sacamos el porcentaje de diferencia, veríamos que en promedio cualquier par de ser humanos sobre el planeta tienen una similitud aproximada de 99.8% en dichos caracteres.  Esto quiere decir que en promedio 2.994’000.000 de caracteres son iguales entre dos personas del planeta. Sin embargo, esto también quiere decir que hay 6’000.000 de caracteres distintos,  que a su vez están directamente relacionados con las diferencias físicas, fisiológicas y moleculares que son evidentes en nuestra especie (sin olvidar por supuesto, que las variaciones moleculares son altamente influenciadas por el ambiente).

Estos cambios se han acumulado con el tiempo y corresponden a lo que conocemos como mutaciones. Aunque existen mutaciones inducidas por agentes físicos y químicos externos (ejemplo: rayos UV), la mayoría de los cambios acumulados en los organismos se dan por mutación natural debido a factores intrínsecos del genoma. Las mutaciones en el genoma de un organismo pueden tener causas diversas entre las que están: errores en la replicación del ADN, daños que no pueden ser reparados por la maquinaria celular o inserciones de elementos móviles.

Especiación

De hecho los errores en la replicación del ADN (en las células que dan origen a la siguiente generación) son parte fundamental de la especiación. Dichos cambios pueden derivar en variaciones que pueden verse en la progenie, y que resultan en nuevas funcionalidades a nivel molecular, fisiológico y físico. Al cabo de varias generaciones y ayudados por influencias ambientales, dichas variaciones acumuladas han derivado en los procesos de diversificación y especiación que son demostrados por la gama de organismos que vemos en el planeta tierra.

Si los procesos de especiación dependen de la mutación entonces todo organismo sobre el planeta tierra podría ser considerado como un mutante. Día tras día y en todas las especies, algunos de los caracteres del libro de la vida son modificados por accidente, por errores de la maquinaria de replicación de ADN o por agentes externos. Los cambios pueden efectuarse a pequeña escala como cuando un solo carácter cambia, o a gran escala como cuando un fragmento grande del ADN es totalmente borrado o cambiado de lugar, lo cual es conocido como un evento de deleción-inserción. Desde los organismos más pequeños como virus y bacterias, hasta los que demuestran una “complejidad” más alta como  los mamíferos, los procesos de mutación generan variaciones que permiten encontrar nuevos ajustes ante un mundo cambiante.

Tecnología

Pero en la medida en que logramos tener un mejor entendimiento sobre los procesos de mutación, era solo cuestión de tiempo hasta que las herramientas biotecnológicas permitieran utilizar procesos netamente naturales en la alteración de los genomas. Uno vez logramos entender que los cambios en los caracteres que componen los genes pueden dar lugar a cambios visibles, era de esperarse que empezáramos a inducir cambios en regiones específicas para encontrar las funciones génicas. Así surgieron las técnicas de “forward and reverse genetics”, donde a partir de la inducción de mutaciones puntuales aleatorias (de un carácter o nucleótido), se pueden generar individuos con características aberrantes para establecer los vínculos de dichas características (fenotipo) con los cambios a nivel del genoma (genotipo) [1]. De allí se dio un paso más hacia  lo que conocemos como mutagénesis insercional [2]. En esta técnica, fragmentos específicos de ADN de origen vírico o en forma de elementos transponibles (elementos móviles conocidos como ADN saltarín y de los cuales hablaremos en detalle más adelante), se insertan en los genes o en regiones cercanas a ellos, alterando su función o dañándolos por completo, con el mismo propósito de alterar el genoma para generar cambios en el fenotipo. Es interesante que  en paralelo, la biotecnología permitiera así mismo implementar una técnica en la que fragmentos de ADN llevaban genes específicos para incorporar nuevas funciones en un organismo en vez de generar mutaciones. Esta nueva metodología se dio a conocer como transgénesis, y a pesar de cumplir su cometido, la mutación no ha podido ser sacada totalmente de la ecuación como veremos en la siguiente sección. Adicionalmente es de resaltar que la transgénesis implementada mediante la biotecnología comparte grandes similitudes con el proceso natural de transposición (movimiento de elementos transponibles en el genoma), lo cual nos permite reflexionar acerca del alcance de la influencia humana en la alteración de los procesos “naturales”. El conocimiento sobre la mutación y la biotecnología nos han permitido emular la naturaleza y modificarla. Ahora veamos en detalle como procesos biotecnológicos como la transgénesis se utilizan para dicho propósito.


¿Son mutantes los organismos genéticamente modificados?       

La creación de los organismos transgénicos (específicamente de las plantas transgénicas), se dio gracias al descubrimiento del mecanismo mediante el cual una bacteria infecta naturalmente las plantas [3]. Agrobacterium tumefaciens infecta las raíces de las plantas y transfiere una sección de su ADN al genoma de la planta hospedera para obligar a la planta a producir compuestos benéficos para el desarrollo de la bacteria. Sin embargo, la sección de ADN que la bacteria transfiere, donde se encuentran los genes para sintetizar compuestos benéficos para la bacteria, puede ser reemplazada por otros genes mediante ingeniería genética [4]. Solo los extremos de dicha sección (llamada T-ADN), son necesarios para la integración del T-ADN en el genoma hospedero, y flanqueado por dichos extremos, es posible colocar casi cualquier gen que se quiera transferir. De la misma manera, nuevas técnicas de transformación genética han sido implementadas, donde se bombardea a la planta con partículas de tungsteno u oro recubiertas del ADN que se quiere transferir [5, 6]. Una vez en las células las partículas de ADN se integran en los cromosomas del genoma hospedero. Es posiblemente acá donde está el meollo del asunto: ¿y donde se integra este ADN foráneo y que hace?

Bueno, dicho ADN se integra de manera más o menos aleatoria [7] (aunque actualmente se están generando técnicas de direccionamiento [8]), lo cual quiere decir que podría terminar en casi cualquier región del genoma del hospedero. Si la integración de dicho fragmento ocurre en un gen esencial para la supervivencia del organismo entonces el resultado será que el organismo morirá o no podrá desarrollarse. Así mismo, el fragmento puede ser insertado en un gen no tan esencial, pero que puede ser crítico para una función fisiológica o de desarrollo. Por ejemplo si uno de los genes de defensa contra una enfermedad es interrumpido, es posible que la planta tenga rutas metabólicas alternas para tratar de contrarrestar el patógeno, pero su susceptibilidad ante el agente infeccioso específico puede aumentar. Es de recalcar que los genes no actúan como entidades individuales sino que son parte de un sistema; todos las partes de una célula incluyendo genes, proteínas y metabolitos actúan en sinergia para lograr una función específica. En ese sentido, la introducción de una variable foránea de forma espontánea puede producir modificaciones tan grandes como la alteración de una ruta metabólica, pero si es bien controlada y estudiada, entonces la adición de la variable génica, puede adicionar una función sin perturbar el resto del sistema. La inserción aleatoria de ADN foráneo puede entonces resultar en distintas variaciones del genoma hospedero.

Sin embargo, sería irresponsable por parte de los científicos incrementar una característica deseable mediante la introducción de un gen, y no hacer un seguimiento detallado del contexto genómico donde el ADN foráneo se inserta, o de las repercusiones en el desarrollo o fisiología de la planta. Esta es una de las razones por las cuales los programas de mejoramiento genético usando transgénicos están sometidos a largos procesos de evaluación internos, y los productos derivados (por ejemplo: alimentos provenientes de plantas transgénicas) deben ser aprobados por las entidades estatales sanitarias [9], antes de poder ser comercializados. Es evidente que por la aleatoriedad de las inserciones de ADN foráneo un gran porcentaje de transformaciones genéticas pueden resultar en mutaciones fatales o detrimentales para la planta, pero no son dichas plantas las que son escogidas para seguir en el programa de mejoramiento. Las plantas son seguidas a veces durante varias generaciones para asegurarse de que la característica introducida (ejemplo: gen de defensa a insectos o resistencia a pesticidas)  este transmitiéndose de padres a hijos, y de que no exista ninguna alteración adicional en el funcionamiento normal de la planta.

¿Es la introducción de ADN foráneo un proceso ideado por los humanos y que irrumpe con la evolución biológica natural?

Sí y no… como vimos anteriormente el proceso de transgénesis usando A. tumefaciens fue posible gracias a un proceso natural preexistente. Aunque los humanos estemos ahora introduciendo genes específicos de organismos divergentes, es poco probable que las personas que consuman plantas infectadas naturalmente por esta bacteria, u otras que transfieren así mismo su ADN, crean que se está jugando con la evolución o que comer dicha planta tenga repercusiones directas en su salud (en gran medida porque cuando estos procesos se dan de manera natural, no los podemos controlar o ver).

Existen además, dentro de casi todos los organismos estudiados a la fecha, unos fragmentos de ADN llamados elementos transponibles [10], los cuales se movilizan a nuevas regiones genómicas de una manera más o menos aleatoria (esto depende de la familia de transposones que se estudia), pero que tienen un comportamiento de cierta manera muy similar al T-ADN de A. tumefaciens. De hecho esta similitud llevó a los científicos a utilizar a los transposones como herramientas de transgénesis y mutagénesis insercional [2]. Mientras que la función de transgénesis se asimila mucho a lo que se hace con el T-ADN de Agrobacterium, la mutagenesis se vió como una función natural que podía ser implementada para descubrir la función de los genes como describimos anteriormente. De cierta manera tanto transposones como las secuencias de T-DNA pueden tener los mismos efectos en un genoma hospedero.

Sin embargo los transposones son parte de cada genoma y su influencia mutagénica y en la evolución biológica es, sin lugar a dudas, mucho mayor que la que un único gen (o unas pocas copias) introducido por ingeniería genética pueda tener. En plantas como las gramineas entre el 50 y el 80% del genoma puede estar compuesto por transposones [11, 12]. Estos elementos están separados en familias divergentes [13] cada una de las cuales actúa de forma distinta y pueden movilizarse a secciones específicas del genoma con más o menos efectividad. Los transposones son activados por estrés ambiental y aunque por su taza de mutación suelen inactivarse rápidamente, siempre permanecen en el genoma algunas copias activas que se mueven y pueden tener una fuerte influencia en la restructuración del genoma y la expresión génica. En Arabidopsis thaliana por ejemplo, la movilización de transposones a regiones cercanas de los genes, causa inactivación de dichos genes [14]. Así mismo la inserción de transposones dentro de genes puede producir nuevas funcionalidades génicas mediante un proceso por el cual ciertas proteínas del transposon son incorporadas a las funciones normales del gen y la célula [15, 16]. Los elementos transponibles también pueden localizarse en zonas específicas del genoma donde se especula que pueden ayudar a la evolución de familias génicas específicas, lo cual ha sido mostrado para genes de resistencia en plantas y otros organismos [17]. Si bien es cierto que la movilidad de un transposón en el marco de lectura del gen que produce la proteína resulta en la mayoría de las ocasiones en la disfunción génica, es de recalcar que el mismo genoma tiene mecanismos, por ejemplo de origen epigenético [18], para mutar o apagar rápidamente los transposones que puedan ir en detrimento de la expresión génica.

Es interesante ver la cantidad de similitudes entre el proceso de movilización y mutagénesis de los transposones y el proceso de ingeniería utilizado por el hombre para la transgénesis. Y aunque se podría decir que la transposición es un proceso natural y la transgénesis no, la verdad es que el nivel de mutagénesis y cambio genómico producidos por los cientos o miles de transposones en un genoma supera ampliamente al proceso controlado utilizado en los organismos genéticamente modificados.

Para pensar…

No todo está dicho sobre los organismos transgénicos: si el proceso de manipulación génica es homologable a lo que pasa en la naturaleza o si estos pueden llegar a provocar efectos secundarios no previstos.

Aunque existen procesos naturales de transferencia de genes de bacterias y transferencia horizontal de secciones de ADN (como por ejemplo gracias a agentes infecciosos), dichos procesos no son tan comunes, y la selección natural posiblemente fija solo algunos de estos cambios naturales en los organismos. Por otro lado los errores naturales en la replicación y reparación del ADN y las inserciones debidas a la movilidad de los elementos transponibles están omnipresentes en la naturaleza y causan mutaciones continuamente y a un nivel muy superior a una inserción única de un transgen.

Los procesos mediante los cuales se producen organismos transgénicos tienen un fuerte control de calidad, pero uno podría preguntarse si la velocidad de transferencia y la presión para fijar un gen que no es seleccionado por la naturaleza pueda llegar a tener repercusiones imprevistas, más cuando se cruzan barreras interespecíficas poco usuales. Si bien es necesario confiar en los hechos presentados hasta el día de hoy que muestran que la mayoría de los estudios en transgénicos no han resultado en consecuencias negativas para la salud, es importante mantener un cierto nivel de escepticismo que nos permita hacer estudios concienzudos y más profundos para prever posibles consecuencias de nuestros avances tecnológicos.

Referencias

1. Alonso JM, Ecker JR: Moving forward in reverse: genetic technologies to enable genome-wide phenomic screens in Arabidopsis. Nature reviews Genetics 2006, 7:524–36.
2. Ivics Z, Izsvák Z: The expanding universe of transposon technologies for gene and cell engineering. Mobile DNA 2010, 1:25.
3. Schell J, Van Montagu M: The Ti-plasmid of Agrobacterium tumefaciens, a natural vector for the introduction of nif genes in plants? Basic Life Sciences 1977, 9:159–179.
4. Gelvin SB: Agrobacterium-Mediated Plant Transformation : the Biology behind the “ Gene-Jockeying ” Tool. Microbiology and molecular biology reviews 2003, 67:16–37.
5. Klein TM, Wolf ED, Wu R, Sanford JC: High-velocity microprojectiles for delivering nucleic acids into living cells. Letters to Nature 1987, 327:70–73.
6. Sanford JC, Klein TM, Wolf ED, Allen N: Delivery of substances into cells and tissues using a particle bombardment process. Particulate Science and Technology: An International Journal 1987, 5:27–37.
7. Kim S-I, Veena, Gelvin SB: Genome-wide analysis of Agrobacterium T-DNA integration sites in the Arabidopsis genome generated under non-selective conditions. The Plant journal : for cell and molecular biology 2007, 51:779–791.
8. Chen K, Gao C: TALENs: customizable molecular DNA scissors for genome engineering of plants. Journal of genetics and genomics = Yi chuan xue bao 2013, 40:271–279.
9. ¿Podemos morir si comemos alimentos transgenicos? [http://biogenic-colombia.blogspot.fr/2013/11/podemos-morir-si-comemos-alimentos_7.html]
10. Los intrincados movimientos del ADN [http://biogenic-colombia.blogspot.ca/2012/08/los-intrincados-movimientos-del-adn-por.html]
11. Schnable PS, Ware D, Fulton RS, Stein JC, Wei F, Pasternak S, Liang C, Zhang J, Fulton L, Graves T a, Minx P, Reily AD, Courtney L, Kruchowski SS, Tomlinson C, Strong C, Delehaunty K, Fronick C, Courtney B, Rock SM, Belter E, Du F, Kim K, Abbott RM, Cotton M, Levy A, Marchetto P, Ochoa K, Jackson SM, Gillam B, et al.: The B73 maize genome: complexity, diversity, and dynamics. Science (New York, NY) 2009, 326:1112–5.
12. Paterson AH, Dubchak I, Grimwood J, Gundlach H, Bowers JE, Haberer G, Hellsten U, Mitros T, Poliakov A, Schmutz J, Spannagl M, Tang H, Wang X, Wicker T, Bharti AK, Chapman J, Feltus FA, Gowik U, Grigoriev I V, Lyons E, Maher CA, Martis M, Narechania A, Otillar RP, Penning BW, Salamov AA, Wang Y, Zhang L, Carpita NC, Freeling M, et al.: The Sorghum bicolor genome and the diversification of grasses. Nature 2009, 457(January):551–556.
13. Wicker T, Sabot F, Hua-Van A, Bennetzen JL, Capy P, Chalhoub B, Flavell A, Leroy P, Morgante M, Panaud O, Paux E, SanMiguel P, Schulman AH: A unified classification system for eukaryotic transposable elements. Nature reviews Genetics 2007, 8:973–982.
14. Hollister JD, Smith LM, Guo Y-L, Ott F, Weigel D, Gaut BS: Transposable elements and small RNAs contribute to gene expression divergence between Arabidopsis thaliana and Arabidopsis lyrata. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2011, 108:2322–2327.
15. Volff J-N: Turning junk into gold: domestication of transposable elements and the creation of new genes in eukaryotes. BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology 2006, 28:913–22.
16. Bennetzen JL: Transposable elements, gene creation and genome rearrangement in flowering plants. Current opinion in genetics & development 2005, 15:621–627.
17. Richter TE, Ronald PC: The evolution of disease resistance genes. Plant molecular biology 2000, 42:195–204.
18. Lisch D: Epigenetic regulation of transposable elements in plants. Annual review of plant biology 2009, 60:43–66.