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Tópicos de Biotecnología en el Currículo de Biología

Patrick Guilfoile

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La biotecnología es un tópico esencial en las clases de biología. En este artículo proveemos sugerencias para:

  • determinar el contenido que se debe incluir;
  • enseñar conceptos a través de ejercicios de aprendizaje;
  • promover la discusión de controversias en la biotecnología.

August 2002

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Un grupo de ocho tubos RCP, cada uno contiene una reacción de 100μl. La RCP es una técnica usada comúnmente en la biología molecular. Fuente: Wikimedia Commons.

El estudio de la biotecnología puede inspirar a que los alumnos estudien biología.
Para comprender los tópicos, los alumnos deben aprender acerca de la ciencia detrás de los tópicos.

El propósito de este artículo es el de ayudar a los educadores a integrar a la biotecnología dentro de sus salones de clase. Para este fin, proveemos aquí recursos e información básica y una guía de tópicos apropiados y ejercicios. ¿Deben incluirse tópicos sobre la biotecnología en las clases? Mi respuesta es un fuerte “Sí” porque la biotecnología:

  • puede proveer un “anzuelo” para enganchar el interés de los estudiantes y excitarlos sobre la biología, dado que la biotecnología es un tema que es frecuentemente citado en la prensa;

  • ilustra la integración de la investigación científica básica en la biología aplicada; por ejemplo, la investigación básica sobre la biología de los virus que infectan a las bacterias ha llevado a la modificación del ADN viral para que actúe como un vehículo transportador de genes específicos de una célula a otra;

  • forma la base de muchas controversias sociales y éticas actuales;

  • abarca métodos que son ampliamente utilizados en todas las áreas de la biología. Los estudiantes interesados en la investigación biológica deben ser expuestos a estas técnicas al comienzo de su entrenamiento.

Muchos maestros tienen dudas acerca de la enseñanza de la biotecnología.
Se encuentran disponibles recursos para enseñar acerca de la biotecnología.

A pesar de la importancia de la biotecnología en las ciencias biológicas modernas, muchos educadores no han querido incluir los conceptos de la biotecnología en sus aulas. Ellos piensan que la biotecnología:

  • puede ser muy compleja para los estudiantes;
  • puede ser demasiado cara en su implementación;
  • no se encuentra dentro del campo de experiencia del educador;
  • puede ser muy controversial en las aulas.

Sin embargo, existen muchos recursos disponibles a los educadores para incorporar en sus aulas actividades en biotecnología, para proveer un fondo conceptual y para facilitar las discusiones sobre temas controversiales.

Técnicas de la biotecnología y su trasfondo

Aprender acerca del ADN es un buen punto de comienzo para los estudiantes.

Los métodos modernos de la biotecnología dependen del aislamiento y la subsiguiente manipulación del ADN. Un punto muy útil para iniciar a los estudiantes en los conceptos de la biotecnología (una vez que ellos estén familiarizados con el ADN y con su papel en la genética) es el aislamiento del ADN.

El aislamiento del ADN

A pesar de que las técnicas de aislamiento del ADN varían ligeramente dependiendo del organismo experimental, todos estos métodos comparten las siguientes características:

  • un tratamiento para romper a las células y liberar al ADN;
  • un método para remover o desactivar a las enzimas que degradan al ADN;
  • un método para separar al ADN de las proteínas y de otras moléculas contaminantes.
Aislar el ADN de las bacterias es un buen trabajo de laboratorio.

Existen varios ejercicios de laboratorio sencillos y poco costosos para el aislamiento del ADN de bacterias, cebollas y de otros organismos. Estos ejercicios generalmente utilizan calor y un detergente para romper a las células y para desactivar a las enzimas que degradan al ADN. También utilizan la precipitación con alcohol para separar al ADN de los otros contaminantes. También existen varios métodos publicados para el simple aislamiento del ADN. El método que yo he encontrado ser más reproducible es el del aislamiento del ADN de bacterias16, aunque existen varios otros métodos publicados que utilizan cebollas9,10,12,16 y tejidos de otros organismos. Muchas compañías que suministran equipos y materiales de laboratorio venden “kits” para ésta y para otras técnicas.

Transformación del ADN

Otra técnica que se encuentra íntimamente ligada a muchos métodos biotecnológicos, y que se conoce como la transformación del ADN, involucra añadir ADN de un organismo a las células de otro. Este ADN no nativo puede entonces activarse para producir un producto útil. Este método ha sido utilizado en la producción de muchos compuestos farmacéuticos, entre ellos la insulina humana.

Para efectos didácticos, la transformación del ADN puede ser llevada a cabo más fácilmente en bacterias. El esquema básico incluye:

Las bacterias también pueden ser utilizadas para la transformación del ADN.
  • tomar un mini-cromosoma bacteriano llamado plásmido;
  • insertarle ADN no nativo al plásmido;
  • y finalmente insertar al plásmido modificado en una bacteria

Se han publicado muchos ejercicios de laboratorio en transformación.4,15,16 Algunas compañías venden los “kits” de transformación preempacados.

Digestión y análisis de enzimas de restricción

Las enzimas de restricción son proteínas que cortan a las moléculas de ADN en lugares específicos de la secuencia de bases. Estas enzimas le permiten a los biotecnólogos cortar en forma reproducible a moléculas de ADN en fragmentos bien definidos. Las enzimas de restricción son usadas con frecuencia en la biotecnología para analizar y para sintetizar nuevas moléculas de ADN.

Típicamente, el análisis del ADN utilizando enzimas de restricción utiliza una técnica llamada electroforesis de gel de agarosa.

  • La agarosa está compuesta de cadenas de azúcares y tiene una consistencia similar a la de la gelatina cuando se utiliza para este propósito.
  • Una corriente eléctrica moviliza al ADN a través de la agarosa. De esta manera, las moléculas de ADN se separan de acuerdo a su tamaño, con las moléculas de ADN más pequeñas moviéndose más rápido.
  • Las bandas de ADN de diferentes tamaños son detectadas utilizando un tinte que se le añade al gel.
Bandas de ADN de diferentes tamaños pueden ser analizadas en un laboratorio escolar.

Una de las maneras más fáciles de incorporar a estas técnicas en las aulas es llevando a cabo un ejercicio de laboratorio combinando la digestión de enzimas de restricción y la electroforesis de gel de agarosa. Típicamente, los estudiantes llevarían a cabo una digestión de enzimas de restricción sobre un ADN poco costoso y fácilmente obtenible y luego correr ese ADN en un gel de agarosa. Los estudiantes pueden así analizar el patrón de las bandas de ADN de diferentes tamaños.

Existen un número de artículos que describen actividades de laboratorio sobre este tema.14,16,17,21 Además, las compañías citadas en las dos secciones anteriores venden “kits” pre-empacados que demuestran estas técnicas. Si su presupuesto no le permite llevar a cabo actividades de laboratorio húmedo, también se encuentran disponibles varias simulaciones del proceso.16,24,26,29,30

Reacción en cadena de la polimerasa

La RCP (Reacción en Cadena de la Polimerasa) se ha convertido en una técnica biotecnológica muy común para la producción de copias múltiples de moléculas de ADN relativamente cortas. Este método es más o menos análogo a una fotocopiadora para páginas (es decir, secciones cortas) de ADN. La RCP requiere:

  • un ADN que sirva de plantilla o molde;

  • varias cadenas cortas y de un solo hilo de ADN llamadas cebadores o “primers” de ADN (que son los puntos de inicio para ampliar al ADN);

  • una enzima para la ampliación del ADN;

  • los bloques componentes de ADN, llamados nucleótidos; y

  • una máquina llamada un secuenciador térmico de ADN (thermal cycler en inglés), el cual expone repetidamente a temperaturas variables a la mezcla reactiva.

La Reacción en Cadena de la Polimerasa puede ser demostrada en un laboratorio o por simulación en una computadora.

Existen varias formas de incorporar a la RPC en las aulas. Las simulaciones de RPC pueden aumentar en los estudiantes la comprensión de la metodología sin tener que invertir en equipos o suministros.8,16 Un equipo muy básico, consistente de dos o tres baños de agua, puede ser utilizado para llevar a cabo las reacciones si no se dispone de un secuenciador térmico. Para clases avanzadas, se pueden incluir varios ejercicios utilizando un secuenciador térmico.5,11,25 Existen también kits pre-empacados que permiten llevar a cabo RCP en los salones de clase.

Secuenciación de ADN

La secuenciación del ADN forma la base del proyecto del genoma humano y es indispensable para muchos proyectos biotecnológicos. El propósito de la secuenciación del ADN es el de determinar el orden exacto de las bases (o letras) de una molécula de ADN. Estos datos pueden entonces informar a un científico sobre la naturaleza de una proteina codificada por ese ADN, sobre la probable relación evolucionaria entre diferentes organismos y un sin fin de información adicional.

Existen varias formas de incorporar a la secuenciación del ADN en las aulas. Estas incluyen:

La secuenciación de ADN, clave para muchos proyectos de biotecnología, puede ser incorporada a lecciones de clase.
  • simulaciones hechas a papel y lápiz;16,18
  • bajando del Internet y analizando secuencias reales de ADN;19,22,23,27
  • hacer que los estudiantes preparen ADN (por ejemplo, por medio de RCP, tal y como se describe arriba), enviando al ADN para que sea secuenciado y luego analizando los datos de la secuencia.13

Una de las mejores fuentes de información para esta última opción es el sitio Web del Centro de Aprendizaje Dolan sobre el ADN (Dolan DNA Learning Center).11 Ellos han desarrollado un “kit” para llevar a cabo análisis de ADN de los mismos estudiantes (distribuido por Carolina Biological Supply Company). Actualmente, ellos secuencian este ADN específico sin costo alguno.

Microformaciones (microarrays)

Los estudiantes pueden observar datos de microarreglos (microarrays) y simulaciones en internet de esta técnica para el análisis de los genes.

Hasta hace poco, la pregunta “¿Cuáles genes son expresados en células cancerosas que no son expresados en células normales?” requería un laborioso análisis gen por gen. Existen ahora técnicas como la de las microformaciones (o chip de genes o microarrays en inglés) que permiten analizar la expresión de muchos genes simultáneamente. Estas microformaciones se llevan a cabo sobre un portaobjetos de vidrio o sobre un chip de silicona y contienen cientos o miles de pedacitos de genes en una pequeña sección del portaobjetos o del chip de silicona. En este procedimiento, los genes expresados son aislados de las células. Luego estos genes son detectados examinando cual ADN del portaobjetos se combina con cuales genes de las células.

Los ejercicios de laboratorio húmedo son difíciles con esta tecnología, dado que los materiales y el equipo son bastante caros. Sin embargo, los estudiantes pueden experimentar con microformaciones en varias formas, por ejemplo, investigando ejemplos de datos provenientes de microformaciones6 o estudiando simulaciones en el Internet que describen los estudios de expresión genética usando microformaciones.7 Muchas compañías que fabrican microformaciones tienen información para educadores en sus sitios Web.1

Asuntos sociales y éticos relacionados a la biotecnología

La discusión de la controversia de la biotecnología requiere un conocimiento de los tópicos basados en hechos.

Las aplicaciones de la biotecnología han generado muchas controversias sociales y éticas. En las aulas, me parece que lo mejor es ayudar a los estudiantes a entender la información que apoya a los desarrollos en la biotecnología, de manera que puedan desarrollar un entendimiento -basado en hechos y datos-de los beneficios potenciales y de los riesgos asociados con estas técnicas.
Entre los ejemplos de las controversias generadas por la biotecnología se encuentran:

  • los alimentos genéticamente modificados;
  • los microbios genéticamente diseñados que son utilizados en la bioremediación;
  • la clonación de organismos completos;
  • la investigación en células estaminales (stem cells en inglés) embriónicas;
  • las terapias genéticas; y
  • las pruebas genéticas.

La información básica en muchas de estas controversias, así como unas excelentes sugerencias de cómo tratar estos temas en las aulas, se pueden encontrar en varias referencias.2,16,20,28

Conclusión

Conclusión: La biotecnología pertenece al plan de estudio de la biología por su importancia en el mundo de hoy.

Existen muchos recursos disponibles a los educadores para incorporar lecciones sobre la biotecnología en sus salones de clase. La información que puede ser incluida varía desde la simple hasta la compleja; desde temas puramente científicos hasta cuestiones éticas; y desde lecciones de clase hasta ejercicios básicos o complejos de laboratorio seco y húmedo. Debido a su actualidad y a su importancia para la biología moderna, los educadores deben considerar fuertemente el añadir los temas de biotecnología a sus currículos.

El Dr. Patrick Guilfoile es Profesor de Biología en la Universidad Estadal de Bemidji, en Minnesota. Recibió su doctorado en Bacteriología de la Universidad de Wisconsin en Madison. Completó dos años de post-doctorado en el Instituto Whitehead del MIT y dio clases de biología a nivel de escuela secundaria por tres años. Sus intereses de investigación incluyen el entendimiento de la biología molecular de las garrapatas y de los parásitos que éstas llevan y sobre el desarrollo de ejercicios de laboratorio en biología molecular.
http://faculty.bemidjistate.edu/pguilfoile/

Tópicos de Biotecnología en el Currículo de Biología

Estas referencias están en inglés. Las referencias no han sido traducidas al español dado que la mayoría de los artículos citan fuentes en el idioma inglés.

  1. Affymetrix. Educator’s Resources.
    http://www.affymetrix.com/corporate/outreach/educator.affx March 9, 2010 No longer available.
  2. Anderson, R. 1998. “Collaborative learning in biology. Debating the ethics of recombinant DNA technology.” Am. Biol. Teacher 60:202-205.
  3. The Biology Project: DNA Isolation from Plant Tissue.
    http://biology.arizona.edu/sciconn/lessons2/Alongi/lesson3.html
  4. Bloom, M., G. Freyer, & D. Micklos. 1995. Laboratory DNA Science. Benjamin Cummings, Menlo Park, CA.
  5. Brandner, D. 2002. “Detection of genetically-modified food.” Am. Biol. Teacher 64:433-442.
  6. Brown, P. 2001. Array Scans.
    http://cmgm.stanford.edu/pbrown/explore/tup1.jpg and
    http://cmgm.stanford.edu/pbrown/explore/yap1.jpg (links no longer available).
  7. Campbell, A.M. 2001. DNA Microarray Methodology - Flash Animation.
    http://www.bio.davidson.edu/courses/genomics/chip/chip.html
  8. Campbell, A.M., J. Williamson, D. Padula, and S. Sundby 1997. “Use PCR and a single hair to produce a ‘DNA Fingerprint’.” Am. Biol. Teacher 59 172-178.
  9. Carolina Biological Supply Company. Onion DNA Extraction.
    http://www.carolina.com/biotech/onion.asp
  10. DeBoer, L., R. Sobieski, and S. Crupper. 2000. “Isolation and restriction endonuclease digestion of onion DNA in the junior college-high school biology laboratory.” Bioscene 26(3):15-17.
  11. Dolan DNA Learning Center. Genetic Origins.
    http://www.geneticorigins.org/geneticorigins/
  12. Dollard, K. 1994. DNA Isolation from Onion.
    http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/AEF/1994/dollard_onionDNA.html
  13. Galewsky, S. 2000. “Sequencing cDNAs: AniIntroduction to DNA sequence analysis in the undergraduate molecular genetics course”. Bioscene 26(4):23-25.
  14. Guilfoile, P. and S. Plum. 1998. “An authentic RFLP lab for high school or college biology students.” Am. Biol. Teacher 60:448-452.
  15. Guilfoile, P. and S. Plum. 2000. “The relationship between phenotype & genotype. A DNA transformation & DNA isolation laboratory exercise.” Am. Biol. Teacher 62:288-291.
  16. Kreuzer, H. and A. Massey. 2001. Recombinant DNA and Biotechnology. A Guide for Teachers. 2nd Ed. ASM Press. Washington, DC.
  17. LaBanca, F. and C. Berg. 1998. “A time-efficient & user-friendly method for plasmid DNA restriction analysis.” Am. Biol. Teacher 62:453-456.
  18. Latourelle, S. and B. Seidel-Rogol. 1998. “A demonstration of automated DNA sequencing.” Am. Biol. Teacher 60:206-211.
  19. Maier, C. 2001. “Building phylogenetic trees from DNA sequence data: Investigating polar bear & giant panda ancestry.” Am. Biol. Teacher 63:642-646.
  20. Nardone, R. 1997. “Hello Dolly! And thanks for the opportunity you provided.” Am. Biol. Teacher 59:260-262.
  21. Palladino, M., and Emily Cosentino. 2001. “A DNA fingerprinting simulation laboratory for biology students.” Am. Biol. Teacher 63:596-603.
  22. Palladino, M. 2002. “Learning about the Human Genome Project via the Web: Internet resources for biology students.” Am. Biol. Teacher 64:110-116.
  23. Putterbaugh, M., J.G. Burleigh. 2001. “Investigating evolutionary questions using online molecular databases.” Am. Biol. Teacher 63:422-431.
  24. Reed, E. 2001. “A DNA fingerprint simulation: Different, simple, effective.” Am. Biol. Teacher 63:437-441.
  25. Roth, W.B., M. Thompson, R. Hallick. 1997. “DNA fingerprinting in a high school research-based science course.” Am. Biol. Teacher 59:48-51.
  26. Schug, T. 1998. “Teaching DNA fingerprinting using a hands-on simulation.” Am. Biol. Teacher 60:38-41.
  27. Smith, T. and D. Emmeluth. 2002. “Introducing bioinformatics into the biology curriculum: Exploring the National Center for Biotechnology Information.” Am. Biol. Teacher 64:93-99.
  28. Taras, L., A. Stavroulakis, M. Ortiz. 1999. “Human cloning: Lets discuss it.” Am. Biol. Teacher 61:341-344.
  29. Thompson, J., S. Gray, J. Hellack . 1997. “Linguini models of molecular genetic mapping & fingerprinting.” Am. Biol. Teacher 59:416-418.
  30. Wagner, J. 1998. “Recombinant DNA paper model simulation.” Am. Biol. Teacher 60:531-534.

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