LAS ESPECIES MODELO EN BIOTECNOLOGIA
¿Qué es una especie modelo?
“¿Cómo puede un gusano ser tan importante para la humanidad?”, preguntó el periodista.
“La palabra clave es ‘evolución’; toda la vida viene de un ancestro común. Entonces, no es sorprendente encontrar que la maquinaria de la vida es similar entre un ser y otro. Así que cuando miramos al gusano, sabemos que sus piezas de maquinaria biológica son similares a las nuestras” - respondió el investigador John Sulston, premio Nobel de Medicina y Fisiología 2002.
El párrafo anterior, extraído de una nota publicada recientemente en el diario La Nación, resume en pocas palabras la base sobre la cual se sustenta el concepto de “especie modelo”. Las especies modelo, entre ellas el gusano, son una herramienta fundamental en algunas áreas de la investigación científica, ya que permiten realizar estudios sobre determinados caracteres y los resultados pueden ser extrapolados a otras especies. De esta forma, a partir de unas pocas especies es posible ampliar el conocimiento acerca de la enorme variedad de seres vivos existentes en la naturaleza.
Las especies que se eligen como modelo tienen las siguientes características en común:
- Fácil manutención y manipulación en el laboratorio;
- Ciclos de vida cortos;
- Gran número de descendencia;
- Disponibilidad de variabilidad fenotípica y genotípica;
- Fenotipo de interés sencillo de observar o medir;
- Técnicas de estudio puestas a punto para estas especies.
Por ejemplo, la especie de arvejas Pisum sativum resultó ser un excelente modelo para estudiar las leyes básicas de la herencia, mientras que la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) resulta un modelo adecuado al estudiar la función de los cromosomas sexuales en los animales.
Las especies modelo en la biotecnología
En los últimos años, con el advenimiento de la “Era Genómica”, se pudo conocer el genoma de las especies modelo. Esto aporta una nueva característica de estudio que es de especial interés para la biotecnología y la biología molecular. Por ejemplo, a partir del estudio del genoma de estas especies es posible conocer las variantes génicas responsables de la diversidad dentro de la especie, o contar con técnicas de transformación genética que permitan obtener organismos transgénicos para su estudio.
A continuación se describen algunas especies modelo empleadas en biotecnología y biología molecular, y algunos de sus campos de aplicación:
Reino Monera
Especie modelo: Eubacteria Escherichia coli
Función / Campo de aplicación:
-Biología Molecular básica (ej.: regulación de la expresión génica en procariontes)
- Herramienta en Ingeniería Genética
- Biotecnología de ADN recombinante
- Producción de proteínas recombinantes a escala industrial
Archaebacteria
Especie modelo: Methanococcus, Thermophilus
Función / Campo de aplicación:
- Adaptaciones a hábitats inhóspitos
- Enzimas de interés industrial
- Metabolismos especiales
Reino Fungi
Especie modelo: Levadura Saccharomyces cerevisiae
Función / Campo de aplicación:
- Biotecnología de alimentos
- Genética Molecular
- Caracterización de genes
- Interacción de proteínas
- Producción de proteínas recombinantes a escala industrial.
Reino Animalia
Especie modelo: Gusano redondo Caenorhabditis elegans
Función / Campo de aplicación:
- Parasitología
- Biología del desarrollo
- Biología Celular
- Genética Molecular eucariota
- Evolución
- Neurobiología
Especie modelo: Mosca de la fruta Drosophila melanogaster
Función / Campo de aplicación:
- Genética eucariota
- Bases cromosómicas de la determinación del sexo
- Procesos celulares
- Desarrollo de los segmentos del cuerpo
- Desarrollo del sistema nervioso
- Comportamiento
- Control del sueño (ciclo circadiano)
- Evolución
- Medicina, Enfermedades
- Respuesta fisiológica a drogas
Especie modelo: Ratón Mus musculus
Función / Campo de aplicación:
- Medicina: enfermedades y tratamientos (vacunas),
y respuesta fisiológica a drogas y a alimentos
- Genómica funcional de mamíferos
- Comportamiento cromosómico en mamíferos
- Transgénesis en animales superiores (bovinos, caprinos)
- Comportamiento
- Control del sueño (ciclo circadiano)
Reino Plantae
Especie modelo: Arabidopsis thaliana
Función / Campo de aplicación:
- Genética de plantas
- Genómica funcional vegetal
- Ensayos de transgénicos
- Evolución
- Interacción planta-patógeno
- Interacción planta-entorno
Especie modelo: Nicotiana tabacum
Función / Campo de aplicación:
- Estudio de dicotiledóneas agronómicas
- Transformación genética vegetal
- Expresión de proteínas recombinantes
La clasificación "clásica" de los organismos comprende cinco reinos:
- Monera,
- Protista,
- Fungi,
- Plantae y
- Animalia.
El conocimiento de los genomas y los mecanismos de expresión de los genes han llevado a muchos científicos a proponer un sistema diferente de clasificación cada vez más aceptado, compuesto por tres grandes dominios:
- BACTERIA O EUBACTERIA comprende a bacterias modernas, como E. Coli;
- ARCHEA O ARQUEOBACTERIAS que incluye bacterias primitivas, entre ellas las "extremófilas", por ejemplo Metanococcus sp; y
- EUKARYA que incluye a los eucariontes (protozoos, hongos, plantas y animales).
Es decir que según la evidencia presentada por la biología molecular los primitivos procariotas se habrían separado en dos grupos muy temprano en el desarrollo de la vida en la tierra: Eubacterias y Arqueobacterias.
Características de las especies modelo
Procariontes
- Escherichia coli es un tipo de bacteria que ha sido utilizada durante décadas como organismo modelo y, con el surgimiento de la ingeniería genética, pasó a ser el “organismo estrella” de la disciplina del ADN recombinante. Esto se debe a que las técnicas de transformación bacteriana son sencillas y fueron las primeras en desarrollarse rutinariamente en laboratorios de todo el mundo dado que no requieren de equipamiento sofisticado. E. coli se utiliza, entre otras aplicaciones, para obtener muchas copias de un fragmento de ADN de interés (amplificación), y para la fabricación de proteínas recombinantes a gran escala, por ejemplo la insulina humana. Además, los plásmidos de este tipo de bacteria son importantes ya que contienen genes de interés biológico, como aquellos que determinan ventajas adaptativas (por ejemplo, resistencia a antibióticos) y son utilizados como vectores de clonado y de expresión en ingeniería genética.
Microfotografía de Escherichia coli (microscopía electrónica de barrido). Fuente: http://ecmc2.sdsc.edu/. E. coli Model Cell Consortium, U.S. Eucariontes
- Saccharomyces cerevisiae es una especie modelo perteneciente a los hongos unicelulares. Este organismo ha sido parte de la biotecnología desde los comienzos de la historia ya que es la levadura utilizada en la elaboración del pan, el vino y la cerveza, entre otros productos obtenidos por fermentación.
La levadura Saccharomyces cerevisiae es el microorganismo eucarionte ideal para estudios biológicos y genómicos, y ha resultado una herramienta poderosa para el entendimiento de los genes de organismos eucariontes superiores, como el humano, así como para un análisis sistemático de la función de los productos correspondientes a estos genes. La simplicidad de manipulación genética de la levadura permite que sea utilizada convenientemente para analizar la función de los productos génicos de organismos eucariontes superiores. En cuanto a su utilización biotecnológica como fábrica de moléculas recombinantes, la levadura es de gran utilización para la preparación de proteínas recombinantes de uso comercial. La importancia de esta levadura para la producción de productos proteicos por metodología de ADN recombinante queda ilustrada por el hecho de que la primera vacuna recombinante para humanos aprobada, contra la hepatitis B, y el primer producto alimenticio recombinante aprobado, la renina utilizada en la fabricación de queso, fueron producidos en sistemas de levaduras.
Microfotografía de levaduras.
Fuente: http://www.arches.uga.edu/~sashford/Microbes.html
- Caenorhabditis elegans es un nematodo (gusano redondo) perteneciente a la categoría de los animales invertebrados. Los Nematodos son muy abundantes e incluyen importantes especies parásitas de plantas y animales. El estudio de esta especie aporta herramientas prácticas aplicables al tratamiento de enfermedades causadas por nematodos. Además, los conocimientos adquiridos acerca de este tipo de gusano permite compararlos con los de especies animales superiores. En particular, de Caenorhabditis elegans se conoce la descripción completa de su anatomía celular y la secuencia de su genoma. Las técnicas de ingeniería genética puestas a punto para esta especie permiten realizar investigaciones sobre diferenciación celular, neurobiología, desarrollo y evolución, mediante la comparación de los genomas de levaduras, gusanos y ratones, entre otros. Se ha identificado que el genoma de C. elegans determina características comunes a todos los animales (e incluso plantas) superiores. Por ejemplo, posee genes para la mayoría de los componentes moleculares del cerebro de los vertebrados, lo cual sugiere que esta especie provee un modelo válido para el estudio de sistema nervioso en animales.
Fotografía de C. elegans adultos(aprox. 1mm de longitud). http://nema.cap.ed.ac.uk/publications/science/C_elegans_is_a_nematode.html
- Drosophila melanogaster es la pequeña mosca de la fruta, y pertenece al grupo de animales más abundante sobre la tierra: los artrópodos. Los estudios realizados en esta mosca durante los últimos cien años, han permitido comprender aspectos fundamentales de la genética eucariótica, entre ellos las bases de la determinación del sexo. La mayor parte del genoma de esta especie está secuenciado desde el año 2000. Los estudios realizados con genes de Drosophila han posibilitado armar modelos que explican muchos procesos celulares y de desarrollo embrionario en animales superiores. Se descubrió, por ejemplo, que los genes de mamíferos con similar secuencia a los de D. melanogaster también cumplen similares funciones. Algunos de ellos están relacionados con procesos complejos como el desarrollo del cuerpo y del sistema nervioso, el comportamiento, el control del sueño (ciclo circadiano), los procesos de neurodegeneración y respuestas fisiológicas a drogas tales como el alcohol. La conservación de genes y procesos biológicos entre mosca y mamíferos amplía el campo de influencia de este insecto a la medicina. El arsenal de técnicas genéticas disponibles en la mosca se aplica para caracterizar y comprender la función de genes humanos. Así se han podido detectar y conocer genes involucrados en la enfermedad de Parkinson, genes supresores de tumores, el homólogo a la insulina en mosca, como así también los algunos receptores de hormonas.
- Mus musculus es un mamífero vertebrado, conocido corrientemente como ratón de laboratorio. El ratón ha sido elegido desde los comienzos de la investigación científica clínica como especie mamífero modelo dada su cercanía fisiológica y genética con el humano. Las pruebas de toxicidad de alimentos, medicamentos, y otras sustancias se han realizado tradicionalmente en el ratón de laboratorio y las conclusiones obtenidas de todos los ensayos son luego convenientemente extrapolados al hombre. El objetivo de los estudios con ratones es comprender los efectos que causan diferentes mutaciones y utilizar esos datos en la búsqueda de posibles equivalencias en la especie humana. Inicialmente los estudios se realizaron con mutantes naturales, pero luego se desarrollaron las técnicas de transformación, en las cuales el gen de interés del ratón es mutado al insertar intencionalmente en su secuencia algún transgén de modo tal de anular la expresión del gen endógeno. Así se han obtenido, por ejemplo, ratones que expresan los posibles genes de obesidad, y han resultado efectivamente más obesos y al anular su expresión y observar su falta de obesidad se pudo confirmar la función del gen humano, como así también la existencia de una homología para dicho gen entre humanos y ratones. Este ejemplo demuestra el potencial de estos modelos para determinar genes involucrados en enfermedades y las posibles implicancias en el campo de la medicina.
- Arabidopsis thaliana es una hierba diminuta y una de las especies modelo, aunque sin valor comercial, ni relevancia ecológica. Dentro del Reino Planta el mayor interés está puesto en comprender la biología de las especies de importancia agronómica y poder mejorarlas para un mayor aprovechamiento. Elegida como especie modelo por su minúsculo tamaño, rapidez de reproducción, gran número de semillas por planta, genoma compacto y la facilidad de realizar cruces y transgénicos, Arabidopsis pasó en menos de 15 años de ser casi desconocida a ser la especie mejor entendida de todo el reino vegetal. Al analizar el genoma de esta planta, se encontró que se trata de un genoma muy pequeño pero con un gran número de genes y que un 8% concuerda con genes animales, sobre todo los vinculados con el metabolismo primario (síntesis de elementos básicos, como azúcares o lípidos). Arabidopsis comparte genes funcionales (germinación, floración, formación de semillas) con otras plantas como el arroz, la soja, el trigo, el maíz y el algodón. Al igual que la información obtenida de otros proyectos genoma, la información del genoma de Arabidopsis ayudará a comprender los mecanismos de la evolución. Además, el conocimiento de la genética molecular de esta especie ha facilitado el avance hacia el mejoramiento de otras especies vegetales de mayor importancia agronómica, por medio de la obtención de plantas transgénicas con genes de caracteres de interés provenientes de otras especies vegetales (ej: resistencia a estrés ambiental por frío, salinidad, etc). También permitió el avance en el conocimiento relacionado con el metabolismo secundario de las plantas, de gran aplicación industrial, farmacológica y cosmética, como así también en la obtención de tejidos derivados de fibras vegetales y en la producción de energía derivada de vegetales (biodiesel).
Planta transgénica de tabaco que expresa el gen de la luciferaza de la luciérnaga. Fuente. Science (1986) 234: 856-859 - Nicotiana tabacum o planta de tabaco es utilizada experimentalmente como planta modelo para la transformación genética y cultivo in vitro por ser fácilmente transformable y tener una morfología y fisiología más semejante a la de cultivos agronómicos como el tomate y otras dicotiledóneas. Muchas proteínas recombinantes que se quieren expresar en plantas superiores, como así también las proteínas recombinantes de interés farmacológico (para obtener las llamadas plantas transgénicas de tercera generación, utilizadas como fábricas de moléculas) son primero ensayadas en tabaco.
