Historia de la ingeniería genética

La ingeniería genética es la ciencia de manipular el material genético de un organismo. La primera modificación genética artificial realizada mediante biotecnología fue la transgénesis, el proceso de transferencia de genes de un organismo a otro, realizado por primera vez por Herbert Boyer y Stanley Cohen en 1973. Fue el resultado de una serie de avances en las técnicas que permitieron la modificación directa de el genoma Los avances importantes incluyeron el descubrimiento de enzimas de restricción y ligasas de ADN, la capacidad de diseñar plásmidos y tecnologías como la reacción en cadena de la polimerasa y la secuenciación. La transformación del ADN en un organismo huésped se logró con la invención de la biolística, Agrobacterium-recombinación mediada y microinyección. El primer animal modificado genéticamente fue un ratón creado en 1974 por Rudolf Jaenisch. En 1976 se comercializó la tecnología, con el advenimiento de bacterias modificadas genéticamente que producían somatostatina, seguidas de insulina en 1978. En 1983 se insertó un gen resistente a los antibióticos en el tabaco, lo que condujo a la primera planta modificada genéticamente. Siguieron avances que permitieron a los científicos manipular y agregar genes a una variedad de organismos diferentes e inducir una variedad de efectos diferentes. Las plantas se comercializaron por primera vez con tabaco resistente a virus lanzado en China en 1992. El primer alimento modificado genéticamente fue el tomate Flavr Savr comercializado en 1994. Para 2010, 29 países habían plantado cultivos biotecnológicos comercializados. En 2000, un artículo publicado en Scienceintrodujo el arroz dorado, el primer alimento desarrollado con mayor valor nutritivo.

Agricultura

La ingeniería genética es la manipulación directa del genoma de un organismo utilizando ciertas técnicas biotecnológicas que solo existen desde la década de 1970. La manipulación genética dirigida por humanos estaba ocurriendo mucho antes, comenzando con la domesticación de plantas y animales a través de la selección artificial. Se cree que el perro es el primer animal domesticado, posiblemente derivado de un ancestro común del lobo gris, con evidencia arqueológica que data de alrededor del 12.000 a. Otros carnívoros domesticados en tiempos prehistóricos incluyen al gato, que cohabitó con humanos hace 9.500 años. La evidencia arqueológica sugiere que se domesticaron ovejas, vacas, cerdos y cabras entre el 9000 a. C. y el 8000 a. C. en el Creciente Fértil.

La primera evidencia de domesticación de plantas proviene del trigo emmer y einkorn que se encuentran en las aldeas del Neolítico A anterior a la cerámica en el suroeste de Asia que datan de alrededor de 10,500 a 10,100 a. El Creciente Fértil de Asia occidental, Egipto y la India fueron los primeros lugares en los que se planeó la siembra y la cosecha de plantas que previamente se habían recolectado en la naturaleza. El desarrollo independiente de la agricultura ocurrió en el norte y el sur de China, el Sahel de África, Nueva Guinea y varias regiones de las Américas. Los ocho cultivos fundadores del Neolítico (trigo emmer, trigo einkorn, cebada, guisantes, lentejas, arveja amarga, garbanzos y lino) habían aparecido alrededor del 7000 a. La horticultura aparece por primera vez en el Levante durante el período calcolítico alrededor del 6800 al 6300 a.Debido a los tejidos blandos, la evidencia arqueológica de los primeros vegetales es escasa. Los primeros restos vegetales se han encontrado en cuevas egipcias que datan del segundo milenio antes de Cristo.

La cría selectiva de plantas domesticadas fue una vez la principal forma en que los primeros agricultores moldearon los organismos para satisfacer sus necesidades. Charles Darwin describió tres tipos de selección: selección metódica, en la que los humanos seleccionan deliberadamente características particulares; selección inconsciente, en la que se selecciona una característica simplemente porque es deseable; y la selección natural, en la que se transmite un rasgo que ayuda a un organismo a sobrevivir mejor. La reproducción temprana se basó en la selección inconsciente y natural. Se desconoce la introducción de la selección metódica. Las características comunes que se introdujeron en plantas domesticadas incluyen granos que no se rompieron para permitir una cosecha más fácil, maduración uniforme, vidas más cortas que se traducen en un crecimiento más rápido, pérdida de compuestos tóxicos y productividad.Algunas plantas, como el banano, pudieron propagarse por clonación vegetativa. La descendencia a menudo no contenía semillas y, por lo tanto, era estéril. Sin embargo, estas crías solían ser más jugosas y de mayor tamaño. La propagación a través de la clonación permite cultivar estas variedades mutantes a pesar de su falta de semillas.

La hibridación fue otra forma en que se introdujeron cambios rápidos en la composición de las plantas. A menudo aumentaba el vigor de las plantas y combinaba rasgos deseables. Lo más probable es que la hibridación ocurriera por primera vez cuando los humanos cultivaron por primera vez plantas similares, pero ligeramente diferentes, en estrecha proximidad. Triticum aestivum, el trigo que se usa para hornear pan, es un alopoliploide. Su creación es el resultado de dos eventos de hibridación separados.

El injerto puede transferir cloroplastos, ADN mitocondrial y todo el núcleo celular que contiene el genoma para crear potencialmente una nueva especie, lo que hace que el injerto sea una forma de ingeniería genética natural.

Los rayos X se utilizaron por primera vez para mutar plantas deliberadamente en 1927. Entre 1927 y 2007, se produjeron más de 2540 variedades de plantas genéticamente mutadas mediante rayos X.

Genética

Varios descubrimientos genéticos han sido esenciales en el desarrollo de la ingeniería genética. La herencia genética fue descubierta por primera vez por Gregor Mendel en 1865 luego de experimentos que cruzaban guisantes. Aunque fue ignorado en gran medida durante 34 años, proporcionó la primera evidencia de segregación hereditaria y distribución independiente. En 1889, a Hugo de Vries se le ocurrió el nombre "(pan) gen" después de postular que las partículas son responsables de la herencia de las características y el término "genética" fue acuñado por William Bateson en 1905.En 1928, Frederick Griffith demostró la existencia de un "principio transformador" involucrado en la herencia, que Avery, MacLeod y McCarty identificaron más tarde (1944) como ADN. Edward Lawrie Tatum y George Wells Beadle desarrollaron el dogma central de que los genes codifican proteínas en 1941. La estructura de doble hélice del ADN fue identificada por James Watson y Francis Crick en 1953.

Además de descubrir cómo funciona el ADN, hubo que desarrollar herramientas que permitieran manipularlo. En 1970, el laboratorio de Hamilton Smith descubrió enzimas de restricción que permitían cortar el ADN en lugares específicos y separarlo en un gel de electroforesis. Esto permitió a los científicos aislar genes del genoma de un organismo. Las ligasas de ADN, que unen el ADN roto, se descubrieron a principios de 1967 y al combinar las dos enzimas fue posible "cortar y pegar" secuencias de ADN para crear ADN recombinante. Los plásmidos, descubiertos en 1952,se convirtieron en herramientas importantes para transferir información entre células y replicar secuencias de ADN. Frederick Sanger desarrolló un método para secuenciar el ADN en 1977, aumentando considerablemente la información genética disponible para los investigadores. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR), desarrollada por Kary Mullis en 1983, permitió amplificar pequeñas secciones de ADN y ayudó a identificar y aislar material genético.

Además de manipular el ADN, hubo que desarrollar técnicas para su inserción (lo que se conoce como transformación) en el genoma de un organismo. El experimento de Griffith ya había demostrado que algunas bacterias tenían la capacidad de captar y expresar ADN extraño de forma natural. La competencia artificial se indujo en Escherichia coli en 1970 cuando Morton Mandel y Akiko Higa demostraron que podía absorber el bacteriófago λ después del tratamiento con una solución de cloruro de calcio (CaCl ₂). Dos años más tarde, Stanley Cohen demostró que el tratamiento con CaCl ₂ también era eficaz para la captación de ADN plasmídico. La transformación mediante electroporación se desarrolló a fines de la década de 1980, aumentando la eficiencia y el rango bacteriano. En 1907 una bacteria que causaba tumores en las plantas,Se descubrió Agrobacterium tumefaciens y, a principios de la década de 1970, se descubrió que el agente inductor de tumores era un plásmido de ADN llamado plásmido Ti. Al eliminar los genes en el plásmido que causó el tumor y agregar genes nuevos, los investigadores pudieron infectar plantas con A. tumefaciens y dejar que las bacterias insertaran su ADN elegido en los genomas de las plantas.

Primeros organismos genéticamente modificados

En 1972, Paul Berg utilizó enzimas de restricción y ligasas de ADN para crear las primeras moléculas de ADN recombinante. Combinó el ADN del virus del mono SV40 con el del virus lambda.Herbert Boyer y Stanley Norman Cohen llevaron el trabajo de Berg un paso más allá e introdujeron ADN recombinante en una célula bacteriana. Cohen estaba investigando plásmidos, mientras que el trabajo de Boyer involucraba enzimas de restricción. Reconocieron la naturaleza complementaria de su trabajo y se unieron en 1972. Juntos encontraron una enzima de restricción que cortó el plásmido pSC101 en un solo punto y pudieron insertar y ligar un gen que confería resistencia al antibiótico kanamicina en la brecha. Cohen había ideado previamente un método en el que se podía inducir a las bacterias a tomar un plásmido y, al usarlo, pudieron crear una bacteria que sobrevivió en presencia de la kanamicina. Esto representó el primer organismo modificado genéticamente. Repitieron experimentos que mostraban que otros genes podrían expresarse en bacterias, incluido uno del sapo Xenopus laevis,

En 1974, Rudolf Jaenisch creó un ratón transgénico introduciendo ADN extraño en su embrión, convirtiéndolo en el primer animal transgénico del mundo. Jaenisch estaba estudiando células de mamíferos infectadas con el virus simio 40 (SV40) cuando leyó un artículo de Beatrice Mintz que describía la generación de ratones quimera. Llevó sus muestras de SV40 al laboratorio de Mintz y las inyectó en embriones tempranos de ratón esperando que se desarrollaran tumores. Los ratones parecían normales, pero después de usar sondas radiactivas descubrió que el virus se había integrado en el genoma de los ratones.Sin embargo, los ratones no transmitieron el transgén a su descendencia. En 1981, los laboratorios de Frank Ruddle, Frank Constantini y Elizabeth Lacy inyectaron ADN purificado en un embrión de ratón unicelular y demostraron la transmisión del material genético a las generaciones posteriores.

La primera planta modificada genéticamente fue el tabaco, reportado en 1983. Fue desarrollado por Michael W. Bevan, Richard B. Flavell y Mary-Dell Chilton mediante la creación de un gen quimérico que unía un gen resistente a los antibióticos al plásmido T1 de Agrobacterium. El tabaco se infectó con Agrobacterium transformado con este plásmido dando como resultado que el gen quimérico se insertara en la planta. A través de técnicas de cultivo de tejidos, se seleccionó una sola célula de tabaco que contenía el gen y una nueva planta creció a partir de ella.

Regulación

El desarrollo de la tecnología de ingeniería genética generó preocupaciones en la comunidad científica sobre los riesgos potenciales. El desarrollo de un marco regulatorio relacionado con la ingeniería genética comenzó en 1975, en Asilomar, California. La reunión de Asilomar recomendó un conjunto de pautas con respecto al uso cauteloso de la tecnología recombinante y cualquier producto resultante de esa tecnología. Las recomendaciones de Asilomar fueron voluntarias, pero en 1976 el Instituto Nacional de Salud (NIH) de EE. UU. formó un comité asesor de ADN recombinante. A esto le siguieron otras oficinas reguladoras (el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA), la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), lo que hizo que toda la investigación del ADN recombinante estuviera estrictamente regulada en los EE. UU.

En 1982, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) publicó un informe sobre los peligros potenciales de la liberación de organismos modificados genéticamente en el medio ambiente mientras se desarrollaban las primeras plantas transgénicas. A medida que la tecnología mejoró y los organismos genéticamente pasaron de organismos modelo a productos comerciales potenciales, EE. UU. estableció un comité en la Oficina de Ciencia y Tecnología (OSTP) para desarrollar mecanismos para regular la tecnología en desarrollo. En 1986, la OSTP asignó la aprobación reglamentaria de las plantas modificadas genéticamente en los EE. UU. al USDA, la FDA y la EPA. A fines de la década de 1980 y principios de la de 1990, surgieron guías para evaluar la seguridad de las plantas y los alimentos modificados genéticamente de organizaciones como la FAO y la OMS.

La Unión Europea introdujo por primera vez leyes que requerían que los OMG se etiquetaran en 1997. En 2013, Connecticut se convirtió en el primer estado en promulgar una ley de etiquetado en los EE. UU., aunque no entraría en vigor hasta que otros estados hicieran lo mismo.

Investigación y medicina

La capacidad de insertar, alterar o eliminar genes en organismos modelo permitió a los científicos estudiar los elementos genéticos de las enfermedades humanas. En 1984 se crearon ratones genéticamente modificados que portaban oncogenes clonados que los predisponían a desarrollar cáncer. La tecnología también se ha utilizado para generar ratones con genes eliminados. El primer ratón knockout registrado fue creado por Mario R. Capecchi, Martin Evans y Oliver Smithies en 1989. En 1992 se generaron oncomices con genes supresores de tumores desactivados. Crear ratas Knockout es mucho más difícil y solo fue posible en 2003.

Después del descubrimiento del microARN en 1993, el ARN de interferencia (ARNi) se ha utilizado para silenciar los genes de un organismo. Al modificar un organismo para que exprese microARN dirigido a sus genes endógenos, los investigadores han podido anular o reducir parcialmente la función génica en una variedad de especies. La capacidad de reducir parcialmente la función de los genes ha permitido el estudio de genes que son letales cuando están completamente desactivados. Otras ventajas de usar RNAi incluyen la disponibilidad de knockout inducible y específico de tejido. En 2007, el microARN dirigido a genes de insectos y nematodos se expresó en plantas, lo que provocó su supresión cuando se alimentaron de la planta transgénica, creando potencialmente una nueva forma de controlar las plagas.Apuntar a la expresión de microARN endógeno ha permitido un ajuste más fino de la expresión génica, complementando el enfoque más tradicional de desactivación de genes.

La ingeniería genética se ha utilizado para producir proteínas derivadas de humanos y otras fuentes en organismos que normalmente no pueden sintetizar estas proteínas. Las bacterias sintetizadoras de insulina humana se desarrollaron en 1979 y se usaron por primera vez como tratamiento en 1982. En 1988 se produjeron los primeros anticuerpos humanos en plantas. En 2000, el arroz dorado enriquecido con vitamina A fue el primer alimento con mayor valor nutritivo.

Más avances

Como no todas las células vegetales eran susceptibles a la infección por A. tumefaciens, se desarrollaron otros métodos, como la electroporación, la microinyección y el bombardeo de partículas con una pistola genética (inventada en 1987). En la década de 1980 se desarrollaron técnicas para volver a introducir cloroplastos aislados en una célula vegetal a la que se le había quitado la pared celular. Con la introducción de la pistola de genes en 1987, fue posible integrar genes extraños en un cloroplasto.

La transformación genética se ha vuelto muy eficiente en algunos organismos modelo. En 1998 se produjeron semillas genéticamente modificadas en Arabidopsis thaliana simplemente sumergiendo las flores en una solución de Agrobacterium. La gama de plantas que se pueden transformar ha aumentado a medida que se han desarrollado técnicas de cultivo de tejidos para diferentes especies.

El primer ganado transgénico se produjo en 1985 mediante la microinyección de ADN extraño en huevos de conejo, oveja y cerdo. El primer animal en sintetizar proteínas transgénicas en su leche fueron ratones, diseñados para producir activador del plasminógeno tisular humano. Esta tecnología se aplicó a ovejas, cerdos, vacas y otros animales.

En 2010, los científicos del Instituto J. Craig Venter anunciaron que habían creado el primer genoma bacteriano sintético. Los investigadores agregaron el nuevo genoma a las células bacterianas y seleccionaron las células que contenían el nuevo genoma. Para hacer esto, las células se someten a un proceso llamado resolución, donde durante la división celular bacteriana una nueva célula recibe el genoma de ADN original de la bacteria, mientras que la otra recibe el nuevo genoma sintético. Cuando esta célula se replica, utiliza el genoma sintético como plantilla. La bacteria resultante que desarrollaron los investigadores, llamada Synthia, fue la primera forma de vida sintética del mundo.

En 2014 se desarrolló una bacteria que replicaba un plásmido que contenía un par de bases no naturales. Esto requería alterar la bacteria para que pudiera importar los nucleótidos no naturales y luego replicarlos de manera eficiente. El plásmido retuvo los pares de bases no naturales cuando se duplicó aproximadamente el 99,4% del tiempo. Este es el primer organismo diseñado para usar un alfabeto genético expandido.

En 2015 se utilizaron CRISPR y TALEN para modificar genomas de plantas. Los laboratorios chinos lo usaron para crear un trigo resistente a los hongos y aumentar los rendimientos del arroz, mientras que un grupo del Reino Unido lo usó para modificar un gen de la cebada que podría ayudar a producir variedades resistentes a la sequía. Cuando se utiliza para eliminar con precisión material del ADN sin agregar genes de otras especies, el resultado no está sujeto al largo y costoso proceso regulatorio asociado con los OGM. Si bien CRISPR puede usar ADN extraño para ayudar en el proceso de edición, la segunda generación de plantas editadas no contiene nada de ese ADN. Los investigadores celebraron la aceleración porque puede permitirles "mantenerse al día" con los patógenos que evolucionan rápidamente. El Departamento de Agricultura de EE. UU. declaró que algunos ejemplos de maíz, papas y soya editados genéticamente no están sujetos a las regulaciones existentes.

Comercialización

En 1976, Herbert Boyer y Robert Swanson fundaron Genentech, la primera empresa de ingeniería genética, y un año más tarde la empresa produjo una proteína humana (somatostatina) en E.coli. Genentech anunció la producción de insulina humana modificada genéticamente en 1978. En 1980, la Corte Suprema de EE. UU. en el caso Diamond v. Chakrabarty dictaminó que la vida alterada genéticamente podía patentarse. La insulina producida por bacterias, de marca humulin, fue aprobada para su lanzamiento por la Administración de Drogas y Alimentos en 1982. En 1983, una compañía de biotecnología, Advanced Genetic Sciences (AGS) solicitó la autorización del gobierno de EE. UU. para realizar pruebas de campo con la cepa menos hielo de P. siringaepara proteger los cultivos de las heladas, pero los grupos ambientalistas y los manifestantes retrasaron las pruebas de campo durante cuatro años con desafíos legales. En 1987, la cepa sin hielo de P. syringae se convirtió en el primer organismo modificado genéticamente (OGM) que se liberó en el medio ambiente cuando se rociaron con ella un campo de fresas y un campo de papas en California. Ambos campos de prueba fueron atacados por grupos activistas la noche antes de que ocurrieran las pruebas: "El primer sitio de prueba del mundo atrajo al primer basurero de campo del mundo".

La primera planta de cultivo modificada genéticamente se produjo en 1982, una planta de tabaco resistente a los antibióticos. Los primeros ensayos de campo de plantas transgénicas ocurrieron en Francia y los EE. UU. en 1986, las plantas de tabaco fueron modificadas para ser resistentes a los herbicidas. En 1987, Plant Genetic Systems, fundada por Marc Van Montagu y Jeff Schell, fue la primera empresa en modificar genéticamente plantas resistentes a los insectos mediante la incorporación de genes que producían proteínas insecticidas de Bacillus thuringiensis (Bt) en el tabaco.

Las enzimas microbianas genéticamente modificadas fueron la primera aplicación de organismos genéticamente modificados en la producción de alimentos y fueron aprobadas en 1988 por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos. A principios de la década de 1990, se aprobó el uso de quimosina recombinante en varios países. Por lo general, el queso se elaboraba con el cuajo complejo enzimático que se extraía del revestimiento del estómago de las vacas. Los científicos modificaron bacterias para producir quimosina, que también fue capaz de coagular la leche, lo que dio como resultado la cuajada de queso. La República Popular de China fue el primer país en comercializar plantas transgénicas, introduciendo un tabaco resistente a virus en 1992. En 1994, Calgene obtuvo la aprobación para lanzar comercialmente el tomate Flavr Savr, un tomate diseñado para tener una vida útil más prolongada.También en 1994, la Unión Europea aprobó el tabaco modificado para ser resistente al herbicida bromoxinil, convirtiéndolo en el primer cultivo genéticamente modificado comercializado en Europa. En 1995, la Papa Bt fue aprobada como segura por la Agencia de Protección Ambiental, luego de haber sido aprobada por la FDA, convirtiéndola en el primer cultivo productor de pesticidas aprobado en los EE. UU. En 1996 se habían otorgado un total de 35 aprobaciones para cultivar comercialmente 8 cultivos transgénicos y un cultivo de flores (clavel), con 8 características diferentes en 6 países más la UE.

Para 2010, 29 países habían plantado cultivos biotecnológicos comercializados y otros 31 países habían otorgado la aprobación reglamentaria para la importación de cultivos transgénicos. En 2013, Robert Fraley (vicepresidente ejecutivo y director de tecnología de Monsanto), Marc Van Montagu y Mary-Dell Chilton recibieron el Premio Mundial de la Alimentación por mejorar la "calidad, cantidad o disponibilidad" de los alimentos en el mundo.

El primer animal genéticamente modificado que se comercializó fue el GloFish, un pez cebra con un gen fluorescente agregado que le permite brillar en la oscuridad bajo la luz ultravioleta. El primer animal genéticamente modificado que se aprobó para uso alimentario fue el salmón AquAdvantage en 2015. El salmón se transformó con un gen regulador de la hormona del crecimiento de un salmón Chinook del Pacífico y un promotor de un faneca oceánica que le permite crecer durante todo el año en lugar de solo durante la primavera y el verano.

Oposición

Ha existido oposición y apoyo para el uso de la ingeniería genética desde que se desarrolló la tecnología. Después de que Arpad Pusztai hizo pública la investigación que estaba realizando en 1998, aumentó la oposición pública a los alimentos modificados genéticamente. La oposición continuó luego de artículos controvertidos y debatidos públicamente publicados en 1999 y 2013 que afirmaban los impactos ambientales y de salud negativos de los cultivos modificados genéticamente.