Las bacterias genéticamente modificadas fueron los primeros organismos que se modificaron en el laboratorio, debido a su genética simple. [1] Estos organismos se utilizan ahora para diversos fines y son particularmente importantes para producir grandes cantidades de proteínas humanas puras para su uso en medicina. [2]
El primer ejemplo de esto ocurrió en 1978, cuando Herbert Boyer , que trabajaba en un laboratorio de la Universidad de California, tomó una versión del gen de la insulina humana y la insertó en la bacteria Escherichia coli para producir insulina "humana" sintética . Cuatro años después, fue aprobada por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos .
Las bacterias fueron los primeros organismos modificados genéticamente en el laboratorio, debido a la relativa facilidad para modificar sus cromosomas. [3] Esta facilidad las convirtió en herramientas importantes para la creación de otros organismos modificados genéticamente. Los genes y otra información genética de una amplia gama de organismos se pueden agregar a un plásmido e insertar en bacterias para su almacenamiento y modificación. Las bacterias son baratas, fáciles de cultivar, clonales , se multiplican rápidamente, son relativamente fáciles de transformar y se pueden almacenar a -80 °C casi indefinidamente. Una vez que se aísla un gen, se puede almacenar dentro de la bacteria, lo que proporciona un suministro ilimitado para la investigación. [4] La gran cantidad de plásmidos personalizados hace que la manipulación del ADN extirpado de las bacterias sea relativamente fácil. [5]
Su facilidad de uso los ha convertido en excelentes herramientas para los científicos que buscan estudiar la función y evolución de los genes . La mayor parte de la manipulación del ADN se lleva a cabo dentro de plásmidos bacterianos antes de ser transferidos a otro huésped. Las bacterias son el organismo modelo más simple y la mayor parte de nuestro conocimiento inicial de la biología molecular proviene del estudio de Escherichia coli . [6] Los científicos pueden manipular y combinar fácilmente genes dentro de las bacterias para crear proteínas nuevas o alteradas y observar el efecto que esto tiene en varios sistemas moleculares. Los investigadores han combinado los genes de bacterias y arqueas , lo que ha llevado a conocimientos sobre cómo estos dos divergieron en el pasado. [7] En el campo de la biología sintética , se han utilizado para probar varios enfoques sintéticos, desde la síntesis de genomas hasta la creación de nuevos nucleótidos . [8] [9] [10]
Las bacterias se han utilizado en la producción de alimentos durante mucho tiempo, y se han desarrollado y seleccionado cepas específicas para ese trabajo a escala industrial. Se pueden utilizar para producir enzimas , aminoácidos , aromas y otros compuestos utilizados en la producción de alimentos. Con el advenimiento de la ingeniería genética, se pueden introducir fácilmente nuevos cambios genéticos en estas bacterias. La mayoría de las bacterias productoras de alimentos son bacterias de ácido láctico , y aquí es donde se ha dirigido la mayor parte de la investigación sobre bacterias productoras de alimentos mediante ingeniería genética. Las bacterias se pueden modificar para operar de manera más eficiente, reducir la producción de subproductos tóxicos, aumentar la producción, crear compuestos mejorados y eliminar vías innecesarias . [11] Los productos alimenticios de bacterias modificadas genéticamente incluyen alfa-amilasa , que convierte el almidón en azúcares simples, quimosina , que coagula la proteína de la leche para la elaboración de queso, y pectinesterasa , que mejora la claridad del jugo de fruta. [12]
La quimosina es una enzima que se produce en el estómago de los mamíferos rumiantes jóvenes para digerir la leche. La digestión de las proteínas de la leche a través de enzimas es esencial para la elaboración del queso. Las especies Escherichia coli y Bacillus subtilis pueden modificarse genéticamente para sintetizar y excretar quimosina, [13] lo que proporciona un medio de producción más eficiente. El uso de bacterias para sintetizar quimosina también proporciona un método vegetariano de elaboración de queso, ya que antes era necesario sacrificar a los rumiantes jóvenes (normalmente terneros) para extraer la enzima del revestimiento del estómago.
Las bacterias modificadas genéticamente se utilizan para producir grandes cantidades de proteínas para uso industrial. Generalmente, las bacterias se cultivan en grandes cantidades antes de activar el gen que codifica la proteína. Luego, se recolectan las bacterias y se purifica la proteína deseada a partir de ellas. [14] El alto costo de la extracción y la purificación ha hecho que solo se hayan producido productos de alto valor a escala industrial. [15]
La mayoría de los productos industriales derivados de bacterias son proteínas humanas para su uso en medicina. [16] Muchas de estas proteínas son imposibles o difíciles de obtener a través de métodos naturales y tienen menos probabilidades de estar contaminadas con patógenos, lo que las hace más seguras. [14] Antes de los productos proteicos recombinantes, varios tratamientos se derivaban de cadáveres u otros fluidos corporales donados y podían transmitir enfermedades. [17] De hecho, la transfusión de productos sanguíneos había provocado anteriormente una infección no intencionada de hemofílicos con VIH o hepatitis C ; de manera similar, el tratamiento con hormona de crecimiento humana derivada de glándulas pituitarias de cadáveres puede haber provocado brotes de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob . [17] [18]
El primer uso medicinal de las bacterias GM fue producir la proteína insulina para tratar la diabetes . [19] Otros medicamentos producidos incluyen factores de coagulación para tratar la hemofilia , [20] hormona de crecimiento humana para tratar varias formas de enanismo , [21] [22] interferón para tratar algunos cánceres, eritropoyetina para pacientes anémicos y activador tisular del plasminógeno que disuelve los coágulos sanguíneos. [14] Fuera de la medicina se han utilizado para producir biocombustibles . [23] Existe interés en desarrollar un sistema de expresión extracelular dentro de las bacterias para reducir costos y hacer que la producción de más productos sea económica. [15]
Con una mayor comprensión del papel que desempeña el microbioma en la salud humana, existe la posibilidad de tratar enfermedades alterando genéticamente las bacterias para que sean agentes terapéuticos. Las ideas incluyen alterar las bacterias intestinales para que destruyan las bacterias dañinas, o usar bacterias para reemplazar o aumentar las enzimas o proteínas deficientes. Un enfoque de investigación es modificar Lactobacillus , bacterias que naturalmente brindan cierta protección contra el VIH , con genes que mejorarán aún más esta protección. [24] Las bacterias que generalmente causan caries dentales han sido diseñadas para que ya no produzcan ácido láctico que corroe los dientes . [25] Estas bacterias transgénicas, si se les permite colonizar la boca de una persona, tal vez podrían reducir la formación de caries. [26] Los microbios transgénicos también se han utilizado en investigaciones recientes para matar o dificultar los tumores y para combatir la enfermedad de Crohn . [27]
Si las bacterias no forman colonias en el interior del paciente, éste debe ingerir repetidamente las bacterias modificadas para obtener las dosis necesarias. Permitir que las bacterias formen una colonia podría proporcionar una solución a más largo plazo, pero también podría plantear problemas de seguridad, ya que las interacciones entre las bacterias y el cuerpo humano son menos conocidas que con los medicamentos tradicionales.
Un ejemplo de este intermediario, que sólo forma colonias a corto plazo en el tracto gastrointestinal , puede ser el Lactobacillus Acidophilus MPH734. Este se utiliza como un específico en el tratamiento de la intolerancia a la lactosa . Esta versión modificada genéticamente de la bacteria Lactobacillus acidophilus produce una enzima faltante llamada lactasa que se utiliza para la digestión de la lactosa que se encuentra en los productos lácteos o, más comúnmente, en los alimentos preparados con productos lácteos. La colonia a corto plazo se induce durante un régimen de tratamiento de 21 píldoras de una semana, después del cual, la colonia temporal puede producir lactasa durante tres meses o más antes de que se elimine del cuerpo por un proceso natural. El régimen de inducción puede repetirse con la frecuencia necesaria para mantener la protección contra los síntomas de la intolerancia a la lactosa, o interrumpirse sin consecuencias, excepto el regreso de los síntomas originales.
Existe la preocupación de que la transferencia horizontal de genes a otras bacterias pueda tener efectos desconocidos. En 2018 se están realizando ensayos clínicos para probar la eficacia y seguridad de estos tratamientos. [24]
Durante más de un siglo, las bacterias se han utilizado en la agricultura. Los cultivos se han inoculado con Rhizobia (y más recientemente Azospirillum ) para aumentar su producción o permitir que se cultiven fuera de su hábitat original . La aplicación de Bacillus thuringiensis (Bt) y otras bacterias puede ayudar a proteger los cultivos de la infestación de insectos y las enfermedades de las plantas. Con los avances en ingeniería genética, estas bacterias se han manipulado para aumentar la eficiencia y ampliar el rango de hospedadores. También se han agregado marcadores para ayudar a rastrear la propagación de las bacterias. Las bacterias que colonizan naturalmente ciertos cultivos también se han modificado, en algunos casos para expresar los genes Bt responsables de la resistencia a las plagas. Las cepas de bacterias Pseudomonas causan daños por heladas al nuclear agua en cristales de hielo a su alrededor. Esto condujo al desarrollo de bacterias ice-minus , a las que se les han eliminado los genes formadores de hielo. Cuando se aplican a los cultivos, pueden competir con las bacterias ice-plus y conferir cierta resistencia a las heladas. [28]
Otros usos de las bacterias modificadas genéticamente incluyen la biorremediación , donde las bacterias se utilizan para convertir contaminantes en una forma menos tóxica. La ingeniería genética puede aumentar los niveles de las enzimas utilizadas para degradar una toxina o para hacer que las bacterias sean más estables en condiciones ambientales. [29] También se han desarrollado bacterias GM para lixiviar cobre del mineral, [30] limpiar la contaminación por mercurio [31] y detectar arsénico en el agua potable. [32] También se ha creado bioarte utilizando bacterias modificadas genéticamente. En la década de 1980, el artista Joe Davis y la genetista Dana Boyd convirtieron el símbolo germánico de la feminidad (ᛉ) en un código binario y luego en una secuencia de ADN, que luego se expresó en Escherichia coli . [33] Esto se llevó un paso más allá en 2012, cuando se codificó un libro completo en ADN. [34] También se han producido pinturas utilizando bacterias transformadas con proteínas fluorescentes. [33] [35] [36]