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Ingeniería celular

Células diseñadas para emitir fluorescencia bajo luz ultravioleta.

La ingeniería celular es el proceso intencional de agregar, eliminar o modificar secuencias genéticas en células vivas para lograr objetivos de ingeniería biológica , como alterar la producción celular, cambiar los requisitos de crecimiento y proliferación celular, agregar o eliminar funciones celulares y muchos más. La ingeniería celular a menudo hace uso de la tecnología del ADN recombinante para lograr estas modificaciones, así como métodos de ingeniería de tejidos estrechamente relacionados. [1] La ingeniería celular puede caracterizarse como un nivel intermedio en las disciplinas cada vez más específicas de la ingeniería biológica que incluyen la ingeniería de órganos, la ingeniería de tejidos , la ingeniería de proteínas y la ingeniería genética . [2]

El campo de la ingeniería celular está ganando cada vez más terreno a medida que la investigación biomédica avanza en la ingeniería de tejidos y se vuelve más específica. Las publicaciones en el campo han pasado de varios miles a principios de la década de 2000 a casi 40.000 en 2020. [3]


Descripción general

Mejorar la producción de productos celulares naturales

Una forma general de ingeniería celular implica alterar la producción celular natural para lograr un rendimiento más deseable o un tiempo de producción más corto. [4] Un posible método para cambiar la producción celular natural incluye potenciar o reprimir genes que están involucrados en el metabolismo del producto. Por ejemplo, los investigadores pudieron sobreexpresar genes transportadores en células de ovario de hámster para aumentar el rendimiento de anticuerpos monoclonales . [5] Otro enfoque podría implicar la incorporación de genes biológicamente extraños en una línea celular existente. Por ejemplo, E. Coli , que sintetiza etanol, puede modificarse utilizando genes de Zymomonas mobilis para hacer que la fermentación del etanol sea el producto principal de la fermentación celular. [6]

Modificación de los requisitos celulares

Otra modificación celular beneficiosa es el ajuste de los requisitos de sustrato y crecimiento de una célula. Al cambiar las necesidades de las células, se pueden reducir significativamente el costo de la materia prima, los gastos de equipo y la habilidad requerida para cultivar y mantener cultivos celulares. Por ejemplo, los científicos han utilizado enzimas extrañas para diseñar una cepa de levadura industrial común que permite que las células crezcan en sustratos más económicos que la glucosa tradicional . [7] Debido a que la ingeniería biológica se centra en mejorar los costos de ampliación, la investigación en esta área se centra principalmente en la capacidad de varias enzimas para metabolizar sustratos de bajo costo. [8]

Aumentar las células para producir nuevos productos

Estrechamente ligada al campo de la biotecnología , esta disciplina de la ingeniería celular emplea métodos de ADN recombinante para inducir a las células a construir un producto deseado, como una proteína , un anticuerpo o una enzima . Uno de los ejemplos más notables de este subconjunto de la ingeniería celular es la transformación de E. Coli para transcribir y traducir un precursor de la insulina , lo que redujo drásticamente el coste de producción. [9] Poco después, en 1979, se llevó a cabo una investigación similar en la que se transformó a E. Coli para expresar la hormona del crecimiento humano para su uso en el tratamiento del enanismo hipofisario. [10] Por último, se ha avanzado mucho en la ingeniería celular para producir antígenos con el fin de crear vacunas . [11]

Ajuste de las propiedades de la celda

En el campo de la bioingeniería, se utilizan diversos métodos de modificación celular para alterar propiedades inherentes de las células, como la densidad de crecimiento, la tasa de crecimiento, el rendimiento del crecimiento, la resistencia a la temperatura, la tolerancia a la congelación, la sensibilidad química y la vulnerabilidad a los patógenos. [4] Por ejemplo, en 1988, un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Illinois expresó con éxito un gen de hemoglobina de Vitreoscilla en E. Coli para crear una cepa que fuera más tolerante a condiciones de bajo oxígeno, como las que se encuentran en los biorreactores industriales de alta densidad. [12]

Ingeniería de células madre

Una sección distinta de la ingeniería celular implica la alteración y ajuste de las células madre. Gran parte de la investigación reciente sobre terapias y tratamientos con células madre se enmarca en los métodos de ingeniería celular antes mencionados. Las células madre son únicas en el sentido de que pueden diferenciarse en varios otros tipos de células que luego pueden alterarse para producir terapias novedosas o proporcionar una base para futuros esfuerzos de ingeniería celular. [13] Un ejemplo de ingeniería dirigida de células madre incluye la diferenciación parcial de células madre en miocitos para permitir la producción de factores pro-miogénicos para el tratamiento de la sarcopenia o la atrofia muscular por desuso. [14]

Historia

La frase "ingeniería de celdas" se utilizó por primera vez en un artículo publicado en 1968 para describir el proceso de mejora de las celdas de combustible. [15] Luego, el término fue adoptado por otros artículos hasta que se utilizó el término más específico "ingeniería de celdas de combustible".

El primer uso del término en un contexto biológico fue en 1971 en un artículo que describe métodos para injertar casquetes reproductivos entre células de algas. [16] A pesar de la creciente popularidad de la frase, aún existen límites poco claros entre la ingeniería celular y otras formas de ingeniería biológica. [4]

Ejemplos

Referencias

  1. ^ Cameron, Douglas C.; Tong, I-Teh (1 de enero de 1993). "Ingeniería celular y metabólica". Bioquímica Aplicada y Biotecnología . 38 (1): 105–140. doi :10.1007/BF02916416. ISSN  1559-0291. PMID  8346901.
  2. ^ Nerem, Robert M. (1 de septiembre de 1991). "Ingeniería celular". Anales de ingeniería biomédica . 19 (5): 529–545. doi :10.1007/BF02367396. ISSN  1573-9686. PMID  1741530.
  3. ^ "ingeniería celular - Resultados de búsqueda - PubMed". PubMed . Consultado el 19 de noviembre de 2021 .
  4. ^ abc Cameron, Douglas C.; Tong, I-Teh (1 de enero de 1993). "Ingeniería celular y metabólica". Bioquímica Aplicada y Biotecnología . 38 (1): 105–140. doi :10.1007/BF02916416. ISSN  1559-0291. PMID  8346901. S2CID  28117582.
  5. ^ Tabuchi, Hisahiro; Sugiyama, Tomoya; Tanaka, Saeko; Tainaka, Satoshi (2010). "La sobreexpresión del transportador de taurina en células de ovario de hámster chino puede mejorar la viabilidad celular y el rendimiento del producto, al tiempo que promueve el consumo de glutamina". Biotecnología y bioingeniería . 107 (6): 998–1003. doi :10.1002/bit.22880. ISSN  1097-0290. PMID  20661907. S2CID  9824980.
  6. ^ Ingram, LO; Conway, T; Clark, DP; Sewell, GW; Preston, JF (1987-10-01). "Ingeniería genética de la producción de etanol en Escherichia coli". Microbiología Aplicada y Ambiental . 53 (10): 2420–2425. Bibcode :1987ApEnM..53.2420I. doi :10.1128/aem.53.10.2420-2425.1987. PMC 204123 . PMID  3322191. 
  7. ^ Ledesma-Amaro, Rodrigo; Nicaud, Jean-Marc (octubre de 2016). "Ingeniería metabólica para ampliar el rango de sustrato de Yarrowia lipolytica". Tendencias en biotecnología . 34 (10): 798–809. doi :10.1016/j.tibtech.2016.04.010. ISSN  0167-7799. PMID  27207225.
  8. ^ Prieto, MA; Pérez-Aranda, A; García, JL (1993-04-01). "Caracterización de una hidroxilasa aromática de Escherichia coli con un amplio rango de sustratos". Journal of Bacteriology . 175 (7): 2162–2167. doi :10.1128/jb.175.7.2162-2167.1993. PMC 204336 . PMID  8458860. 
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