La biotecnología aplica organismos y procesos biológicos a problemas de salud, alimentación y ambiente. Los procesos tradicionales, como las fermentaciones industriales, aprovechan microorganismos para elaborar pan, vino, cerveza, yogur y antibióticos; los procesos modernos se basan en la manipulación dirigida del material genético.
La tecnología del ADN recombinante —unir ADN de distintos orígenes e introducirlo en una célula hospedadora— fue establecida experimentalmente por Stanley Cohen y Herbert Boyer en 1973 al clonar ADN en un plásmido bacteriano. Depende de las enzimas de restricción (endonucleasas), que cortan el ADN en secuencias específicas, a menudo palindrómicas; por ejemplo, EcoRI reconoce y corta GAATTC generando extremos cohesivos. Gracias a esta tecnología, la insulina humana recombinante (Humulin) se produjo en Escherichia coli y fue aprobada por la FDA en 1982.
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR), concebida por Kary Mullis en 1983 (Premio Nobel de Química 1993), amplifica exponencialmente in vitro una secuencia específica de ADN mediante ciclos repetidos de tres pasos térmicos: desnaturalización (~94-95 °C), alineamiento de los cebadores (~50-65 °C) y extensión (~72 °C). Requiere una ADN polimerasa termoestable, la Taq polimerasa, aislada de la bacteria termófila Thermus aquaticus. El sistema CRISPR-Cas9, que dirige la nucleasa Cas9 mediante un ARN guía hacia una secuencia complementaria para generar un corte de doble cadena, valió el Premio Nobel de Química 2020 a Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna.
Otras técnicas moleculares descritas en texto incluyen:
En alimentación destacan los cultivos Bt (maíz, algodón), modificados para expresar proteínas insecticidas Cry de Bacillus thuringiensis, y el Arroz Dorado, que acumula betacaroteno (provitamina A) para combatir la deficiencia de vitamina A. En el ambiente, la biorremediación emplea microorganismos como Pseudomonas para degradar hidrocarburos del petróleo.
La bioseguridad y la bioética regulan estos usos. En México, la Ley de Bioseguridad de los Organismos Genéticamente Modificados (LBOGM), publicada en el DOF el 18 de marzo de 2005, norma las actividades con OGM y sustenta a la CIBIOGEM como órgano coordinador. A nivel internacional, el Protocolo de Cartagena (adoptado en 2000, en vigor desde el 11 de septiembre de 2003) regula el movimiento transfronterizo de organismos vivos modificados; México es Parte.
1. La técnica que permite amplificar exponencialmente in vitro una secuencia específica de ADN mediante ciclos repetidos de temperatura fue concebida en 1983. ¿Qué bioquímico la desarrolló y recibió por ello el Premio Nobel de Química en 1993?
Kary Mullis concibió la PCR en 1983 y fue reconocido con el Nobel de Química 1993; Sanger recibió el Nobel por la secuenciación de ADN (1980) y Doudna por CRISPR (2020), técnicas distintas. (The Nobel Prize in Chemistry 1993 (nobelprize.org); Mullis et al., 1986)
2. En una reacción de PCR se parte de una sola molécula de ADN molde y se asume una eficiencia de amplificación del 100% en cada ciclo (duplicación exacta del número de copias por ciclo). Después de 8 ciclos completos, ¿cuántas copias de la secuencia blanco se han generado aproximadamente?
La amplificación es exponencial (2^n copias tras n ciclos); con 8 ciclos y eficiencia perfecta se obtienen 2^8 = 256 copias; los distractores corresponden a contar 6, 7 o 9 ciclos por error. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula, técnicas de ADN)
3. Un técnico programa un termociclador para PCR, pero configura por error el paso de extensión a 72°C antes del paso de desnaturalización a 94-95°C en cada ciclo, en lugar de seguir el orden desnaturalización-alineamiento-extensión. ¿Qué ocurrirá con la amplificación de la muestra?
Sin la desnaturalización previa el ADN permanece bicatenario y los cebadores no pueden hibridar con el molde, por lo que la polimerasa no tiene sustrato para extender; el orden desnaturalización-alineamiento-extensión es indispensable en cada ciclo. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula, técnicas de ADN)
4. ¿De qué microorganismo se aisló originalmente la ADN polimerasa termoestable (Taq polimerasa) utilizada de manera estándar en la PCR?
La Taq polimerasa proviene de la bacteria termófila Thermus aquaticus, capaz de resistir las temperaturas de desnaturalización sin desnaturalizarse ella misma; las demás especies se emplean en otros procesos biotecnológicos. (Saiki et al., Science 1988)
5. En el sistema CRISPR-Cas9 utilizado como herramienta de edición genómica, ¿qué componente dirige a la nucleasa Cas9 hacia la secuencia específica de ADN que debe cortar?
El ARN guía (ARNg) es complementario a la secuencia diana y dirige a Cas9 hasta el sitio donde genera el corte de doble cadena; las enzimas de restricción y los cebadores participan en otras técnicas moleculares. (Jinek et al., Science 2012; Nobel de Química 2020)
6. El método de secuenciación de ADN por terminación de cadena, desarrollado por Frederick Sanger y reconocido con el Premio Nobel de Química en 1980, se basa en la incorporación aleatoria de un tipo particular de nucleótido durante la síntesis. ¿Cuál es dicho nucleótido?
El método de Sanger emplea didesoxinucleótidos (ddNTP) que, al carecer del grupo hidroxilo 3', detienen la elongación de la cadena al incorporarse; los dNTP convencionales sí poseen ese grupo y no detienen la síntesis. (Sanger, Nicklen & Coulson, PNAS 1977; The Nobel Prize in Chemistry 1980)
7. ¿Qué científicos establecieron experimentalmente en 1973 la tecnología del ADN recombinante, al insertar un fragmento de ADN foráneo en un plásmido y clonarlo en una bacteria hospedadora?
Cohen, Boyer y colaboradores demostraron en 1973 la clonación de ADN recombinante en plásmidos bacterianos, fundando la ingeniería genética moderna. (Cohen, Chang, Boyer & Helling, PNAS 1973)
8. Un investigador desea clonar un gen de interés en un plásmido bacteriano generando extremos cohesivos compatibles entre el inserto y el vector, para lo cual corta ambos fragmentos con la misma enzima de restricción. Si emplea EcoRI, ¿qué secuencia palindrómica debe estar presente en los sitios de corte?
EcoRI reconoce y corta específicamente la secuencia palindrómica GAATTC; GGATCC, AAGCTT y CTGCAG corresponden a los sitios de reconocimiento de otras enzimas de restricción de uso común (BamHI, HindIII y PstI). (Catálogo New England Biolabs; Alberts et al., Biología Molecular de la Célula)
9. Una compañía farmacéutica busca sustituir la insulina extraída de páncreas animal por una versión producida a gran escala mediante ingeniería genética. Introduce el gen humano de la insulina en un microorganismo hospedador que la sintetiza, la cual se purifica posteriormente para uso clínico. ¿Cuál fue el organismo hospedador empleado en el primer producto de este tipo aprobado por la FDA en 1982?
La insulina humana recombinante (Humulin) se produjo originalmente en Escherichia coli modificada genéticamente y fue aprobada por la FDA en 1982, marcando el inicio de las proteínas terapéuticas recombinantes. (U.S. FDA; Genentech/Eli Lilly (Humulin))
10. En México, ¿cuál es el ordenamiento jurídico que regula específicamente las etapas de utilización confinada, liberación experimental, liberación en programa piloto y liberación comercial de organismos genéticamente modificados?
La LBOGM, publicada en el DOF el 18 de marzo de 2005, regula de manera específica las distintas etapas de manejo de OGM en México; la LGEEPA es la ley marco ambiental general y no regula de forma específica los OGM. (Ley de Bioseguridad de los Organismos Genéticamente Modificados, DOF 18/03/2005)
11. ¿Cuál es el órgano encargado de coordinar la política nacional de bioseguridad de los organismos genéticamente modificados en México, establecido por la Ley de Bioseguridad de los OGM?
La CIBIOGEM, creada por la LBOGM, coordina la política de bioseguridad de OGM entre las dependencias federales; CONABIO, CONANP y COFEPRIS tienen mandatos distintos centrados en biodiversidad, áreas protegidas y riesgos sanitarios. (Ley de Bioseguridad de los OGM, DOF 18/03/2005)
12. México es Parte del Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología, derivado del Convenio sobre la Diversidad Biológica. ¿Qué regula específicamente este instrumento internacional?
El Protocolo de Cartagena regula el movimiento transfronterizo, el tránsito, la manipulación y la utilización de organismos vivos modificados resultantes de la biotecnología moderna; el comercio de especies silvestres corresponde a CITES. (Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología (CDB, 2000))
13. Los cultivos genéticamente modificados conocidos como 'Bt' (por ejemplo, maíz y algodón Bt) expresan proteínas insecticidas que les confieren resistencia a insectos plaga. ¿De qué bacteria provienen los genes que codifican dichas proteínas Cry?
Las proteínas insecticidas Cry provienen de Bacillus thuringiensis; Agrobacterium tumefaciens se utiliza como vector para transformar plantas, pero no aporta el gen Cry. (ISAAA; James, Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops)
14. En regiones donde la dieta basada principalmente en arroz provoca deficiencia de vitamina A en la población infantil, se ha propuesto introducir gradualmente el Arroz Dorado, modificado por ingeniería genética. ¿Qué compuesto acumula este cultivo en el endospermo del grano para atender dicho problema de salud pública?
El Arroz Dorado fue diseñado para acumular betacaroteno, precursor de la vitamina A, en el endospermo del grano; el hierro biofortificado y el ácido fólico corresponden a otros proyectos de biofortificación distintos. (Ye et al., Science 2000 (Golden Rice))
15. Al analizar un gel de electroforesis en agarosa con tres fragmentos de ADN de distinto tamaño cargados en el mismo pozo y sometidos a la misma corriente eléctrica, ¿cuál de ellos migrará más rápido hacia el polo positivo (ánodo)?
Todos los fragmentos de ADN tienen carga negativa proporcional a su longitud y migran hacia el ánodo, pero la matriz de agarosa retarda más a los fragmentos grandes, por lo que los más pequeños avanzan más rápido. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula)
16. Un investigador desea confirmar la presencia de una proteína específica en un extracto celular, separándola primero por tamaño y detectándola después con un anticuerpo específico. ¿Qué técnica de transferencia (blotting) debe emplear?
El Western blot detecta proteínas mediante anticuerpos específicos tras su separación electroforética; el Southern blot detecta ADN y el Northern blot detecta ARN. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula; Southern, J Mol Biol 1975)
17. Un derrame de petróleo ha contaminado el suelo de una zona costera. Como estrategia de biorremediación, se decide inocular el sitio con un género bacteriano ampliamente documentado por su capacidad de degradar hidrocarburos derivados del petróleo. ¿Cuál es dicho género?
Bacterias del género Pseudomonas son ampliamente utilizadas en biorremediación por su capacidad de degradar hidrocarburos derivados del petróleo mediante rutas metabólicas específicas; Lactobacillus se asocia a fermentaciones lácticas y Rhizobium a la fijación simbiótica de nitrógeno. (Madigan et al., Brock Biología de los Microorganismos)
18. De las siguientes afirmaciones sobre las técnicas de transferencia (blotting) utilizadas en biología molecular, ¿cuál NO es correcta?
El Southern blot detecta fragmentos específicos de ADN, no proteínas; la detección de proteínas mediante anticuerpos corresponde al Western blot, mientras que el Northern blot detecta ARN. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula; Southern, J Mol Biol 1975)
19. De acuerdo con la ecuación de Gay-Lussac de la fermentación alcohólica (C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2), un mol de glucosa (180 g) produce como máximo dos moles de etanol (92 g). Si un biorreactor procesa 900 g de glucosa y la fermentación ocurre con un rendimiento teórico del 100%, ¿cuántos gramos de etanol se producen como máximo?
Cada 180 g de glucosa rinden 92 g de etanol; con 900 g de glucosa (5 veces más) se obtienen 5 × 92 = 460 g de etanol; suponer un rendimiento masa-masa de 1:1 (900 g) ignora la estequiometría de la reacción. (Ecuación de Gay-Lussac de la fermentación alcohólica; Madigan et al., Brock Biología de los Microorganismos)
20. En la elaboración industrial de yogurt, ¿qué grupo de microorganismos fermenta la lactosa de la leche produciendo ácido láctico, lo cual provoca la coagulación de las proteínas y da al producto su textura característica?
Bacterias ácido-lácticas como Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus fermentan la lactosa a ácido láctico, acidificando la leche y coagulando la caseína; las levaduras y bacterias acéticas intervienen en otros procesos fermentativos. (Madigan et al., Brock Biología de los Microorganismos)
21. Una planta artesanal de producción de vinagre presenta bajo rendimiento de ácido acético. Al revisar el proceso, se detecta que los tanques de fermentación están sellados herméticamente, sin aireación. ¿Cuál es la causa más probable del bajo rendimiento, considerando el metabolismo de las bacterias acéticas del género Acetobacter?
A diferencia de la fermentación alcohólica (anaerobia), la transformación de etanol a ácido acético por Acetobacter es una oxidación que requiere oxígeno; sin aireación adecuada el proceso se limita severamente. (Madigan et al., Brock Biología de los Microorganismos)
22. La producción industrial de penicilina mediante el hongo Penicillium chrysogenum se realiza a gran escala en biorreactores con aireación y agitación constantes, en contraste con el cultivo estático en la superficie de un medio. ¿Cómo se denomina este tipo de proceso fermentativo, característico de la mayoría de las fermentaciones industriales de antibióticos?
La producción industrial de antibióticos como la penicilina emplea fermentación aerobia sumergida, con aireación y agitación en biorreactores de gran volumen, lo que optimiza la transferencia de oxígeno y el rendimiento frente al cultivo estático de superficie. (Madigan et al., Brock Biología de los Microorganismos)
23. En un biorreactor industrial, un inóculo bacteriano con un tiempo de generación (duplicación) de 30 minutos crece en condiciones óptimas de fermentación durante 3 horas. Si se asume crecimiento exponencial sin fase de adaptación (lag) ni limitación de nutrientes, ¿aproximadamente cuántas veces se habrá multiplicado la población inicial al final de ese periodo?
En 3 horas caben 6 tiempos de generación (180 min entre 30 min); en crecimiento exponencial la población se duplica en cada generación, por lo que se multiplica 2^6 = 64 veces; confundir el número de horas con el número de generaciones (2^3 = 8) es un error común. (Madigan et al., Brock Biología de los Microorganismos (cinética de crecimiento microbiano))
24. Una industria alimentaria requiere producir glutamato monosódico a gran escala mediante fermentación microbiana para emplearlo como aditivo saborizante. ¿Qué bacteria se utiliza industrialmente para este propósito por su alta capacidad de excretar ácido glutámico al medio de cultivo?
Corynebacterium glutamicum es la bacteria de referencia en la producción industrial de ácido glutámico (para glutamato monosódico) y de lisina mediante fermentación; las demás opciones se emplean en procesos fermentativos o biotecnológicos distintos. (Madigan et al., Brock Biología de los Microorganismos)
25. La técnica que permite amplificar exponencialmente in vitro una secuencia específica de ADN, mediante ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento, a partir de una cantidad mínima de material genético, se conoce como:
La PCR amplifica exponencialmente una secuencia de ADN mediante ciclos repetidos de desnaturalización, alineamiento y extensión; la electroforesis solo separa fragmentos, el Southern blot detecta ADN ya presente y la secuenciación de Sanger determina el orden de bases, sin amplificar la muestra. (Mullis et al., 1986; The Nobel Prize in Chemistry 1993 (nobelprize.org))
26. Kary Mullis, quien concibió la técnica de PCR en 1983, recibió por este desarrollo el Premio Nobel de:
Mullis obtuvo el Premio Nobel de Química en 1993 por concebir la PCR; el año 1980 corresponde al Nobel de Química otorgado a Sanger por la secuenciación de ADN, y la categoría de Fisiología o Medicina no fue la otorgada a Mullis. (The Nobel Prize in Chemistry 1993 (nobelprize.org))
27. La ADN polimerasa termoestable más utilizada en la PCR, capaz de resistir las temperaturas de desnaturalización sin perder actividad, es la Taq polimerasa, aislada originalmente de la bacteria:
La Taq polimerasa proviene de Thermus aquaticus, bacteria termófila adaptada a altas temperaturas; E. coli, B. thuringiensis y Pseudomonas son bacterias relevantes en otras aplicaciones biotecnológicas (insulina recombinante, cultivos Bt y biorremediación), no en el origen de esta enzima. (Saiki et al., Science 1988)
28. En un ensayo de PCR se parte de una sola copia de la secuencia blanco. Suponiendo una eficiencia ideal, en la que cada ciclo duplica exactamente el número de copias existentes, ¿cuántas copias de esa secuencia se obtienen al completar 10 ciclos?
Con duplicación exacta en cada ciclo, el número de copias tras n ciclos es 2 elevado a n; con 10 ciclos resultan 2^10 = 1024 copias. Multiplicar linealmente (100 o 20 copias) o restar un ciclo (512, que es 2^9) son errores típicos de cálculo. (Principio de amplificación exponencial de la PCR (Mullis et al., 1986))
29. Un ciclo típico de PCR consta de tres pasos térmicos: desnaturalización (~94-95 °C), alineamiento de cebadores (~50-65 °C) y extensión por la polimerasa (~72 °C). De las siguientes temperaturas, ¿cuál NO corresponde a ninguno de estos tres pasos térmicos?
37 °C es la temperatura óptima de muchas enzimas fisiológicas, pero no forma parte del ciclo estándar de PCR; 95 °C corresponde a la desnaturalización, 60 °C al alineamiento y 72 °C a la extensión. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula)
30. En el sistema CRISPR-Cas9 empleado para la edición genómica dirigida, la función del ARN guía (ARNg) consiste en:
El ARNg guía a Cas9 hacia la secuencia complementaria del ADN, donde la nucleasa genera un corte de doble cadena; la síntesis de nuevas hebras, la ligación de extremos cohesivos y la síntesis de proteínas Cry corresponden a procesos biotecnológicos distintos. (Jinek et al., Science 2012)
31. El desarrollo del sistema CRISPR-Cas9 como herramienta de edición genómica dirigida fue reconocido con el Premio Nobel de Química otorgado en 2020 a:
Charpentier y Doudna recibieron el Nobel de Química 2020 por CRISPR-Cas9; Mullis y Sanger fueron laureados en años distintos por la PCR y la secuenciación, y Cohen y Boyer desarrollaron el ADN recombinante sin recibir el Nobel por ello. (The Nobel Prize in Chemistry 2020 (nobelprize.org))
32. La tecnología del ADN recombinante, que consiste en unir fragmentos de ADN de distintos organismos e introducirlos en una célula hospedadora mediante un plásmido, fue establecida experimentalmente en 1973 por:
Cohen y Boyer clonaron ADN en un plásmido bacteriano en 1973, sentando las bases del ADN recombinante; los demás pares desarrollaron otras técnicas (PCR, secuenciación, CRISPR) o describieron la estructura del ADN, no la tecnología recombinante. (Cohen, Chang, Boyer & Helling, PNAS 1973)
33. La enzima de restricción EcoRI reconoce una secuencia palindrómica específica de ADN y la corta generando extremos cohesivos. Dicha secuencia de reconocimiento es:
EcoRI reconoce y corta la secuencia GAATTC; las otras secuencias corresponden a sitios de reconocimiento de otras enzimas de restricción de uso común (BamHI, HindIII y PstI, respectivamente). (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula; catálogo New England Biolabs)
34. Un investigador desea insertar un gen de interés en un plásmido de clonación, de modo que el inserto y el vector se unan de manera dirigida y eficiente mediante extremos cohesivos complementarios. Para lograrlo, debe cortar el inserto y el vector con enzimas de restricción que:
La clonación con extremos cohesivos requiere cortar el inserto y el vector con enzimas que dejen extremos monocatenarios complementarios, capaces de aparearse por complementariedad de bases; no todas las enzimas generan extremos cohesivos ni cortan en el centro exacto de su sitio. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula)
35. En la electroforesis en gel de agarosa, los fragmentos de ADN migran hacia el polo positivo (ánodo) del campo eléctrico aplicado debido a que:
El esqueleto de fosfatos del ADN le confiere carga negativa uniforme, por lo que migra hacia el ánodo; las demás opciones describen mecanismos incorrectos o inexistentes en la electroforesis. (Alberts et al., Biología Molecular de la Célula)