Ingeniería genética

Navegar por los sitios de internet dedicados a la biología lleva a toparse inevitablemente con la ingeniería genética. Como su nombre indica, además de una rama de la ciencia, es una ingeniería cuyo objetivo es manipular el material genético. El conocimiento genético está permitiendo la secuenciación de diversos genomas, entre ellos el del hombre. La ingeniería genética está creando múltiples organismos modificados que resultan herramientas sorprendentes en manos de los científicos. Descifrados algunos de lo mecanismos básicos de la genética, los científicos están empezando a modificar organismos como si fueran juegos de Lego, usando para ello herramientas biológicas que permiten cortar y pegar trabajando con nuestros amigos los virus y bacterias.

Recojo algunos inventos que me han llamado la atención en un lenguaje profano que no debería ocultar el enorme trabajo que hay detrás de ellos. Los ratones knokout, las proteínas fluorescentes GFL, los vectores virales, o la optogenética son algunas poderosas herramientas recientes.

El ratón de laboratorio no es producto de ingeniería genética sino de selección genética. El cruce de individuos durante generaciones ha permitido cepas genéticamente puras. Cuando se utilizan en experimentos se puede descartar el factor genético ya que todos son iguales y por lo tanto se puede atribuir las diferencias a otros factores (como por ejemplo el fármaco suministrado).

El ratón knockout es un ratón en el que se ha sustituido una parte de su ADN. para eliminar la acción de alguno de sus genes. De este modo podemos saber para qué sirven los genes suprimidos. La creación del ratón es compleja ya que hay que: crear el ADN resultante; introducirlo en células madre del ratón (el ratón, llamado quimera, contendrá una mezcla de células, algunas con el ADN original y otras con el nuevo ADN); aparear el ratón tantas veces como sea necesario para conseguir cepas puras con el nuevo ADN. Se disponen ya de múltiples cepas de ratones knockout y su número va creciendo. En 2007 Mario R. Capecchi, Martin Evans y Oliver Smithies recibieron por ello el Premio Nobel de Medicina.

Una medusa emite luz a causa de una proteína llamada GFP proteína verde fluorescente. Martin Chalfie, Osamu Shimomura y Roger Y. Tsien recibieron el Premio Nobel de Química en 2008 por sus trabajos con GPF. El gen que produce GPF está aislado y se puede incorporar al ADN de otras células que se vuelven fluorescentes y pueden ser cómodamente observadas por un microscopio óptico. Nuevas proteínas fluorescentes se han aislado y con una combinación de ellas se pueden lograr múltiple colores. Es lo que se ha hecho con Brainbow que saltó a la luz en 2007.

Cerebro del pez cebra usando Brainbow

Hipocampo usando Brainbow

La modificación puede hacerse en el genoma y después producir un individuo en el que todas sus células tienen el gen cambiado. Pero también puede hacerse en un animal vivo. Para ello se utiliza un vector, un agente que introduce en nuevo gen en determinadas células. Es el caso de los virus, organismos especializados en cambiar el código genético de las células que infectan. Modificamos un virus para quitarle su acción patógena y añadimos el gen de nuestro interés. Luego infectamos con el virus las células en las que deseamos realizar la sustitución genética.

Optogenética

En 1979, el premio Nobel Francis Crick proponía que el gran reto de la neurociencia es la necesidad de controlar un tipo de célula del cerebro, dejando inalteradas las demás. Los estímulos eléctricos usan electrodos  demasiado rudimentarios que estimulan un área grande e imprecisa. y las drogas son lentas e inespecíficas. La solución parece estar en la luz.

Karl Deisseroth describe la optogenética como una mezcla de óptica y genética. Basada en el estudio de algas el sistema parece tan simple como brillante. Una única proteína codificada por un único gen tiene dos partes cada una de las cuales realiza una función. Una parte de la proteína responde a la luz. La otra es una canal iónico de membrana como los existentes en todas las neuronas y que son responsables del impulso eléctrico o potencial de acción. Cuando la proteína recibe luz, el canal se abre y la neurona se dispara. Insertando este gen en el ADN de la neurona, la controlamos a voluntad con destellos luminosos y una precisión de milisegundo. Necesitamos también tecnología de emisión de luz profunda para llegar al fondo del cerebro de mamíferos en movimiento libre.
Ahora se están usando proteínas mutantes que responden a distintos colores. También proteínas rápidas y lentas: las primeras disparan potenciales de acción de hasta 200 veces por segundo mientras que las segundas provocan estados de excitación o reposo con un solo destello. Asociando estas proteínas ópticas a receptores bioquímicos específicos y usando virus como vectores, podemos infectar un determinado tipo de neurona sin afectar al resto, estableciendo así un control aún mas selectivo. También están empezando a usarse una mezcla de electrodos y fibra óptica para registrar la actividad de las neuronas. De este modo puede registrarse la actividad eléctrica de una área a la vez que la estamos estimulando ópticamente.

A medida que esta técnica esté disponible nuevas aplicaciones irán surgiendo. Una de ellas es la validación de los métodos actuales. El fMRI, por ejemplo, es un conjunto de medidas con un análisis complejo. Ahora en combinación con la optogenética se puede hacer una validación cruzada de ambas técnicas. Los estudios en enfermedades como Parkinson, esquizofrenia autismo están empezando.

La impresionante charla TED de Gero Miesenboeck muestra como ir más allá en optogenética. Han sido capaces de producir el vuelo en moscas del vinagre modificando solo las neuronas responsables del reflejo de volar. Así, con un destello, la mosca vuela. Pero han dado un paso más. Asumiendo un esquema teórico en el que existe un módulo cerebral "actor" que decide el comportamiento y un módulo "crítico" que informa de los resultados, han buscado las neuronas de este crítico y las han modificado. Con un simple pulso de luz pueden modificar la recompensa de este crítico y conseguir que el animal aprenda. Esto modifica el paradigma ya que somos capaces de modificar la recompensa y por lo tanto el comportamiento con simples destellos.