¿Hemoglobina en Plantas de Tabaco?

Mucho se ha hablado de los transgénicos y no podemos evitar caer el típico ejemplo de el maíz genéticamente modificado, el cual se ha convertido en un clásico en el tema de transgénicos. En el año de 1997 en Francia se realizó un notable ensayo para producir hemoglobina en plantas de tabaco con la esperanza de producir sangre artificial manipulando genéticamente plantas de tabaco.

Las expectativas para aquel entonces era contar en cinco años una producción industrial de la “sangre verde” de forma abundante y barata disponible en todo el mundo; 14 años después ante la curiosidad inevitable de reseñar e investigar sobre este trabajo y ver los resultados actuales deja un sabor amargo ver el poco avance desde entonces.

Esta investigación fue llevada a cabo por investigadores del “Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale” (INSERM), a través de la ingeniería genética, se logró que una planta de tabaco produjera hemoglobina. Esta hemoglobina es esencial para el trasporte de oxígeno de los pulmones a todos los tejidos del organismo.

En este artículo se hace mención a  un estudio realizado por un grupo japonés liderado por el investigador H.T. Naito, de la Universidad de Osaka quienes hacen los primeros estudios sobre compuestos con la capacidad de transportar oxígeno en el torrente sanguíneo; el fruto de este estudio es una serie de perfluorocarbonos, que son hidratos de carbono en los que todas las moléculas de carbono se remplazan por flúor: un compuesto totalmente inerte. Este compuesto al igual que la hemoglobina tiene la propiedad de tomar oxígeno al pasar por los pulmones y de descargarlos en todos los tejidos. Al igual que la sangre, se cargaba con anhídrido carbónico que se eliminaba al llegar a los pulmones. Al llevar este compuesto para realizar diversos ensayos se observó que no era enteramente inocuo y el precio era demasiado elevado como para pretender comercializarlo.

Actualmente estos compuestos se han aplicado en medicina en especial el Perflubron para diversas áreas:

  • Es un excelente medio para transportar gases respiratorios, puede transportar a una atmósfera de presión 20 veces más oxígeno que la salina.
  •  Puede usarse como surfactante en infantes prematuros.
  • Puede usarse en el tratamiento de lesiones pulmonares subagudas y subagudas (ARDS).
  • Remueve cuerpos extraños en caso de edema pulmonar

Regresando a la sangre verde, las expectativas para esta producción era obtener mejores precios y rapidez en el proceso de producir hemoglobina pero el producto que se obtiene en el tabaco es incompleto, ya que esta sangre vegetal no posee glóbulos blancos ni plaquetas. En principio según los investigadores esta sangre no presenta ningún riesgo de infección ni problemas de compatibilidad, es fácil de transportar y de conservar, sería de gran ayuda en casos de hemorragia masivas y en pacientes que requieran constantes transfusiones.

En este trabajo se logró sintetizar las proteínas de las dos cadenas alfa y la beta. Una vez logrado esto introdujeron esas proteínas en una planta de tabaco, que para los ingenieros genéticos tiene la misma funcionalidad que un cobayo de laboratorio para estos estudios. La síntesis de estas proteínas se hacen a partir de genes, que son segmentos del ADN . El ADN es una molécula que se encuentra en el núcleo de las células. Todos los genes están constituidos por un conjunto de pequeñas unidades que reciben el nombre de nucleótidos.

Los investigadores franceses reconstituyeron dos genes sintéticos, capaces de incorporarse a una célula de tabaco. Agregaron en las extremidades de cada uno un iniciador  y un finalizador que pudieran ser reconocido por la maquinaria celular de la planta. Obtuvieron así, dos genes completamente artificiales, que luego fueron puestos uno al lado del otro. Hecho eso, la última parte del experimento consistió en trasferir ese montaje genético a las células de una hoja de tabaco aisladas previamente. Esto se realizó a través de un vector, un agente que permitiera la unión, como vector se eligió al Agrobacterium tumefaciens, que es una bacteria del suelo responsable de la proliferación celular en áreas como el tallo y las raíces. Esta bacteria se escogió porque tiene una característica muy ventajosa para estos trabajos ya que transfiere naturalmente su material genético a las células vegetales.

En términos más simples, la información genética de la hemoglobina fue introducida en la bacteria, que a su vez la introdujo en las células del tabaco. Estas a su vez integraron a su propio patrimonio la información genética que llevaba las instrucciones necesarias para la síntesis de hemoglobina. Por supuesto la síntesis se hace en el citoplasma de las células de tabaco. Al multiplicarse, las células de la planta transmitieron a sus descendientes la información genética que ellas habían heredado.

1) De una médula ósea se toman los eritoblastos 2) Las células que dan origen a los glóbulos. El ADN de estas células contienen los dos genes 3) de la síntesis de la hemoglobina se agregan un iniciador y un finalizador 4) Estos son introducidos dentro de la E. coli para que se multipliquen y se recurre a la A. tumefaciens 5) El Plásmido 6) Transporta esos genes 7) dentro de las células del tabaco donde se integran al ADN


El siguiente paso era conocer en qué parte de la planta del tabaco se había alojado en mayor concentración estas nuevas células cargadas de hemoglobina. Las respuestas las dio un estudio hecho con rayos láser concluyendo que: las semillas y las raíces eran las partes donde se habían agrupado estas nuevas células transgénicas. El resto del estudio fue más simple ya que a través de un proceso industrial manejado por un cromatógrafo se extrajeron las proteínas de la planta. Aunque su rendimiento es aún bajo, se esperaba que en los próximos años obtener cantidades más significativas.

8) Los genes 9) sintetizan los dos tipos de cadenas de proteínas propias de la hemoglobina 10) los cuales captan, dentro de los cloroplastos, un grupo de los pigmentos ferrosos 11) Luego las cadenas se asocian de dos en dos para formar las moléculas de la hemoglobina 12) Las células vegetales colocadas en cultivo 13) Regeneran las plantas de tabaco transgénico 14) cuyas semillas serán utilizadas para extraer hemoglobina

En teoría la propuesta de este trabajo es interesante en el plano científico pero a la  hora de llevarlos a estratos más comerciales, cuando hay  de equiparar procesos a niveles industriales observamos que muchos de estos trabajos y proyectos de investigación pierden funcionalidad. Generalmente los institutos, universidades, centros de investigación cambian de línea de trabajo. A veces el trabajo puede presentar una buena propuesta pero es interesante como el temor de algunos analistas hace que la opinión pública no acepte comer alimentos transgénicos; ahora para a aceptar sangre transgénica se requerirá de mucho tiempo, por la tendencia observada, para que estos trabajos pueda llegar a ser funcionales en un futuro.

Fuente:

AG (1997) Sangre Verde, Revista Conozca Más

Department of Respiratory Care Education, Perfluorcarbon,  http://classes.kumc.edu/cahe/respcared/liquidventilation/wikeper.html, consultado el 27 de mayo 2011.


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Genética de Plantas II

Continuando con el tema de la Genética de Plantas  es hora de revisar como  se da la expresión de genes en estos organismos eucariotas realizando comparaciones en sistemas más sencillos como es el caso de los procariotas.

En procariotas, los genes estructurales estan involucrados en funciones que están organizadas dentro de operones, como por ejemplo el operon lac. Los genes reguladores codifican proteínas de unión al ADN que pueden activar o reprimir la transcripción. En sistemas inducibles , las proteínas regulatorias se activan o inactivan por la unión a pequeñas moléculas efectoras.

Operon con control negativo

Hay sistemas de controles similares presentes en genomas de eucariotas. Aunque, los genes relacionados no están agrupados en operones y están subdivididos en exones e intrones. Los transcriptos del Pre ARNm se procesan por empalme (splicing) y nivelación (capping) en adición a las colas de poli-A para producir ARNm y el ARNm debe salir del núcleo para iniciar la traducción en el citosol.

A pesar de estas diferencias, la mayoría de los genes eucarióticos son regulados a nivel de la transcripción, como en el caso de los procariotas.  La transcripción en Eucariotas es caracterizada por tres ARN polimerasas cuyas actividades son moduladas por diversos grupos de secuencias regulatorias que actúan en cis. La RNA polimerasa II es responsable por la síntesis de pre-ARNm.

Factores de transcripción generales se ensamblan dentro del complejo de iniciación en la caja TATA del promotor mínimo, el cual se encuentra a 100bp del sitio de inicio de la transcripción del gen.  Las secuencias regulatorias adicionales que actúan en cis, tales como la caja CAAT y la caja GC, unen los factores de transcripción intensificando la expresión del gen. Los reguladores de secuencia distales localizados “upstream” están unidos a otros factores de transcripción llamados activadores o represores. Muchos genes en plantas están también reguladas por secuencias potenciadores localizados distales a las secuencias regulatorias positivas.

A pesar de estar dispersos por todo el genoma, muchos genes eucariotas son inducibles y coregulados. Los genes que son regulados coordinadamente tienen reguladores de secuencias que actúan en cis comunes en sus promotores. La mayoría de los factores de transcripción en plantas contienen el motivo básico “zipper” (bZIP). El cual es un importante factor de transcripción en plantas.

La concentración de enzimas es también  reguladas por la degradación de proteínas o “turnover”. Como aún no existe evidencia de que las vacuolas de las plantas tengan una función similar a los lisosomas en animales en el “turnover” de proteínas, excepto durante la senescencia, cuando los contenidos de la vacuolas son liberados.  Sin embargo el “turnover” proteico a través de la unión covalente del polipéptido ubiquitina corto y la subsecuente proteólisis es un importante mecanismo para regular la concentración de proteína en el citosol en las plantas.

Las vías de las señales de transducción coordinan la expresión génica con las condiciones ambientales y con el desarrollo de la planta. Siguiendo la comparación con los microorganismos procariotas tenemos que éstos emplean dos sistemas de componentes regulatorios que facilitan la respuesta generalmente de la expresión génica.

Los sensores y las respuestas reguladoras comunican la vía de fosforilación de proteínas. Los receptores de proteínas relacionadas a los dos sistemas componentes bacterianos se han identificado en levaduras y plantas. En eucariotas multicelulares usualmente las hormonas lipofílicas se unen a receptores intracelulares, mientras que las hormonas solubles en agua se unen a los receptores de superficies.

Expresión génica en Eucariotas

La unión a receptores inicia una vía de señales de transducción, que a veces involucran la generación de segundos mensajeros, como nucleótidos cíclicos, inositol trisfosfato y calcio  los cuales amplifican la señal original y traen una respuesta celular.

Normalmente, estas vías conducen cambios en la expresión génica. En las plantas, el receptor para la fitohormona brasinoesteroide es un receptor de superficie celular. Los receptores “seven-spainning” de las células animales interactúan con  proteínas G heterotriméricas, que actúan como interruptores moleculares en ciclos entre estados activos (de unión a GTP) y las formas inactivas (de unión a GDP)

La disociación de la subunidad alfa del complejo permite inactivar la enzima efectora. La activación de la adenilato ciclasa incrementa  los niveles cAMP, lo que resulta en la activación de la proteína quinasa cuando las proteínas G heterodiméricas activan la fosfolipasa C y se inicia la vía IP3. IP3 es liberado de la membrana que abre los canales intracelulares de calcio, liberando calcio del retículo endoplasmático y las vacuolas dentro del citosol.

El incremento de las concentraciones en el calcio, a su vez, activa las proteínas quinasas y otras enzimas. En las plantas, las proteínas quinasas dependiente del calcio, el cual tiene dominios de calmodulina, son activados por el calcio directamente.

Estas son algunos ejemplos de los elementos de la expresión génica en plantas, dentro de la complejidad de estos organismos multicelulares existe una infinidad de elementos reguladores, activadores o represores de genes que son importantes analizar y otros que aún no se comprenden en su totalidad en la actualidad.

Fuente:

Taiz L, Zeiger E (2003) Gene Expression and Signal Transduction en Capítulo 14 de Plant Physiology,  3ed., Sinauer.

Genética en Plantas I

Cuando hablamos de genética no podemos evitar pensar en los estudios realizador por Gregor Mendel, evaluando factores hereditarios en los guisantes que cultivaba en su jardín. Entre algunos factores hereditarios encontrados en los guisantes analizados por Mendel están: el color de las flores, la posición de las flores, la forma de la vaina, la longitud del tallo, color de la semilla, la forma de la semilla entre otras.

Ahora se conoce que todos estos factores hereditarios están determinados por los genes; los genes son secuencias de ADN que codifican las moléculas de ARN directamente involucradas en la formación de enzimas y proteínas estructurales de la célula. Los genes se encuentran arreglados de forma lineal en los cromosomas.

Desde que Mendel descrubrió en su jardín los principios de la genética se ha establecido firmemente que las respuestas del más simple microorganismo al crecimiento, desarrollo y el ambiente está determinado por la expresión programada de sus genes.

Entre los organismos multicelulares la expresión de genes altera los complementos enzimáticos y proteínas estructurales de la célula , permitiendo a la célula diferenciarse. Varias señales internas son requeridas para coordinar la expresión de los genes durante el desarrollo y para permitir que la planta responda a señales ambientales.

Tanto agentes de señalización internos como externos normalmente logran sus efectos por medio de secuencias de reacciones bioquímicas, llamadas vías de transducción de señales, que en gran medida amplifican la señal original y en la última instancia resulta en la activación o represión de genes.

En estudios de genómica se observa que la complejidad del organismo esta directamente relacionada con el tamaño del genoma. Aunque debemos tener en cuenta que no todo el ADN en el genoma codifica para genes. El genoma de los procariotas consiste principalmente de secuencias únicas (genes). Mucho del genoma de eucariotas,  consiste de ADN repetitivo y de ADN espaciador.

Arabidopsis

El tamaño del genoma en plantas es altamente variable, el cual puede variar dentro de un rango de 1.5 x 10*8bp en Arabidopsis a 1 x 10*11bp en Trillium. El genoma de las plantas contiene alrededor de 25,000 genes, en comparación con el genoma de la Drosophila que contiene 12,000 genes.

Fuente:

Taiz L, Zeiger E (2003) Gene Expression and Signal Transduction en Capítulo 14 de Plant Physiology,  3ed., Sinauer.