Herramientas de modificación genética

Las herramientas de modificación genética nos permiten modificar el genoma de los organismos con diferentes finalidades, entre las que destaca la producción de proteínas recombinantes, por ejemplo, para modificar rutas metabólicas y obtener ingredientes bioactivos, biomateriales, metabolitos y otras moléculas de interés. Por otro lado, pueden ser las propias proteínas recombinantes un producto industrialmente interesante, como por ejemplo en el caso de las endolisinas y las bacteriocinas.

La Biotecnología contemporánea se nutre de numerosas especies vegetales, animales y de microorganismos, que se utilizan en infinidad de aplicaciones en beneficio de la especie humana. Sin embargo, muchas veces, resulta útil poder modificar las características salvajes de estas especies mediante ingeniería genética, para que resulten más rentables desde un punto de vista industrial. Pero ¿en qué consiste exactamente la ingeniería genética?

En primer lugar, es importante diferenciar entre ingeniería genética y biología sintética. Dos disciplinas que a priori pueden parecer similares pero que cuentan con importantes diferencias. La ingeniería genética es la manipulación directa del material genético de los organismos mediante técnicas de biología molecular. Por otro lado, la biología sintética se define como la síntesis de biomoléculas o ingeniería de sistemas biológicos con funciones nuevas. La diferencia fundamental es que la biología sintética se rige por ciertos principios adaptados de la ingeniería. En primer lugar, la estandarización. La estandarización de piezas en vital para cualquier tipo de ingeniería porque nos permite abaratar costes, reutilizar piezas, controlar mejor los procesos y aumenta la predictibilidad de los resultados.

Una analogía típica sería el cómo la estandarización de las piezas de construcción facilita la construcción de edificios. Imaginemos como sería la construcción si en vez de ladrillos idénticos, utilizáramos piedras irregulares, la predictibilidad sería nula y el esfuerzo sería inmenso para encajar unas con otras, pulirlas, cortarlas, al final serían procesos que llevarían mucho esfuerzo y coste asociado.

Lo mismo ocurre con la Biología sintética, solo que en vez de edificios construimos complejos circuitos genéticos, formados por piezas genéticas que serían en definitiva nuestros ladrillos. Además, con la utilización de piezas estándar, podemos crear circuitos, módulos y sistemas reutilizables, lo que permite la abstracción. ¿A que nos referimos con abstracción? La ingeniería genética es tremendamente potente, pero es a la vez en cierta manera ineficiente, y es porque siempre obliga a bajar a nivel de código genético. La Biología sintética, mediante el uso de la estandarización, pretende utilizar piezas e incluso módulos completos para diferentes abordajes de manera que no hace falta cada vez bajar hasta el nivel de código genético, y esto es muy importante porque, al igual que en ingeniería, abarata costes, optimiza recursos, proporciona control y predictibilidad y reduce los tiempos de producción. ¿qué utilidades nos ofrecen estas dos disciplinas?

Tecnología del ADN recombinante – Modificación genética

Mediante la tecnología del ADN recombinante, podemos aislar genes que nos resulten interesantes por sus funciones, copiarlos e insertarlos en nuevos organismos. Para llevar a cabo la transformación genética se necesitan vectores de expresión, que suelen ser específicos para cada tipo de organismo, así, hay vectores específicos para células vegetales, vectores para células animales y vectores para para microorganismos. De hecho, en el caso de los microorganismos, se requieren vectores con elementos diferentes para diferentes especies.

• Producción de proteínas recombinantes

La aplicación más popular del marco de la modificación genética es la producción de proteínas recombinantes de alto valor añadido. Como hemos mencionado antes, las proteínas recombinantes se pueden producir en una gran variedad de sistemas biológicos. AINIA posee herramientas de transformación de E. coli de desarrollo propio, en las que se pueden producir proteínas de diversa índole como enzimas, péptidos bioactivos, antígenos, factores de crecimiento, endolisinas, etc. Por otro lado, estamos en fase de desarrollo de vectores de expresión en microorganismos GRAS y trabajando en la obtención de herramientas para la producción de proteínas recombinantes en células vegetales como BY2 y levaduras, en este caso para producción de proteínas más complejas que requieran modificaciones post-traduccionales como por ejemplo anticuerpos.

• Modificación de rutas metabólicas para producción de metabolitos de interés

Otra utilidad de la tecnología del ADN recombinante es la modificación de rutas metabólicas, de manera que puedan desviarse y producir metabolitos nuevos, o incrementar la producción de algunos ya existentes. En este caso, la naturaleza de la tecnología es la misma, el clonaje de genes que codifican proteínas de interés, solo que en vez de ser las propias proteínas las que tienen interés industrial, estas formarían parte del entramado metabólico que daría paso al metabolito de interés. Un ejemplo de esta utilizad sería la incorporación de la ruta metabólica para la síntesis de beta-caroteno, precursor de la vitamina A, como se hizo para crear el arroz dorado.

• Producción de enzimas para procesos enzimáticos

Una vez más, la producción de enzimas podría englobarse dentro de la producción de proteínas recombinantes de alto valor añadido. Sin embargo, al igual que para la modificación de rutas metabólicas, las proteínas recombinantes no son las “protagonistas”, sino más bien el “vehículo” que permite la obtención de las moléculas de interés. Un ejemplo sería la producción de proteasas para realizar procesos enzimáticos para la producción de péptidos bioactivos. Estos péptidos bioactivos serían la molécula de interés industrial.

Técnicas de edición genética

Una de las técnicas más vanguardistas hoy en día es la edición genética. En este caso, no se trata de introducir un gen nuevo en un organismo, sino de modificar alguno de los genes que ya contiene, para silenciarlo, para activarlo o para reprimirlo. Existen varias herramientas que nos permiten realizar estas variaciones:

• ARN interferente

Se trata de un mecanismo de regulación de la expresión génica en el que las moléculas de ARN interferente (ARNi) se utilizan como sistema de silenciamiento génico. Una vez producidas e introducidas en el organismo de interés, una de las hebras de la molécula se ensambla en el complejo RISC (RNA-induced silencing complex), y éste la utiliza como guía para identificar el ARN mensajeo complementario. Este complejo entonces cataliza el corte del ARNm dos mitades que son degradadas por la maquinaria celular, bloqueando así la expresión génica.

• CrisprCas/9

El sistema Crispr/Cas 9 es el más versátil de los sistemas de edición genética. Por un lado, permite silenciar la expresión génica mediante cortes de doble cadena producidos por la endonucleasa Cas9.  En ocasiones, estos cortes serán reparados de manera errónea causando INDELS (inserciones o deleciones) en el gen. Estos INDELS generarán la rotura de la pauta de lectura, lo que inactivará el gen. Pero esta no es la única utilidad que ofrece este sistema: Una mutación en la proteína Cas9 (dCas9), que elimina su función nucleasa, junto con la asociación de represores o activadores, nos permitiría “subir o bajar el volumen” de los genes de interés. Si estás interesado en este sistema, no dejes de visitar nuestro anterior artículo de Tecnoalimentalia sobre técnicas de edición genética.

Esta iniciativa ha sido financiada por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) en el marco del convenio de colaboración con AINIA para desarrollar actividades de I+D+i que sean transferibles al tejido industrial.

¿Trabajamos juntos? Colaboramos contigo para hacerte evolucionar

Disponemos de experiencia científica y tecnológica, así como de las herramientas necesarias para el desarrollo de tus proyectos de modificación genética. AINIA posee una colección de vectores de expresión en E. coli propios que permiten la creación de construcciones multigénicas en un solo plásmido, muy útil para modificación de rutas metabólicas y otros abordajes en los que intervienen varios genes. Además, como hemos comentado anteriormente, estamos en fase de desarrollo de vectores de expresión en microorganismos GRAS y trabajando en la obtención de herramientas para la producción de proteínas recombinantes en plataformas eucariotas para producción de proteínas complejas.

Te acompañamos desde el inicio:

• Experiencia en búsqueda de secuencias genéticas en bases de datos
• Diseño de piezas genéticas.
• Diseño y desarrollo de vectores de expresión.
• Transformación genética.
• Análisis para evaluar la transformación genética
• Diseño de guías específicos para Crispr/Cas9
• Estudios bioinformáticos para evaluar resultados de edición genética.

Además, contamos con la experiencia y las instalaciones necesarias para la producción, optimización y escalado de los cultivos de bacterias recombinantes, así como la purificación de las proteínas producidas mediante diferentes técnicas cromatográficas.