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Biotecnología
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BIOTECNOLOGIA EN PRODUCCION ANIMAL
A. Clement-Sengewald, G. Palma & G. Brem
Introducción
La mayor intervención del hombre en el pool genético de los actuales animales domésticos fue a través
de la domesticación. Ninguna otra medida productiva puede o podrá afectar el componente genético
poblacional en una forma tan completa. En los comienzos de la domesticación el hombre no produjo
cambios en la reproducción de los animales. De esta forma se mantuvo la selección natural.
Posteriormente se observó que la reproducción programada de los animales conducía a un
aceleramiento de la selección. A través del aprovechamiento de la variabilidad genética podían criarse
animales, que respondían mejor al fenotipo establecido, o sea aquellos que poseían las características
externas deseadas. Con el tiempo se establecieron programas de mejoramiento que no respondían
solamente al deseo de una persona sino de varias y más tarde al objetivo de agrupaciones de criadores.
El empleo de la genética poblacional como también de los métodos genético-estadísticos permitió, junto
con la aplicación de la inseminación artificial, el desarrollo de exigentes programas de selección y
evaluación de la descendencia. Con el desarrollo de la biotecnología se alcanzó un nivel, en el cual es
posible la manipulación dirigida del genoma o determinados genes con mayor rapidez. Es posible
además alcanzar la manifestación de algunas particularidades productivas, las cuales con la selección
natural o programas de mejoramiento serían difíciles de alcanzar.
Las técnicas reproductivas, mediante las cuales es posible afectar el genoma de los animales (cuadro
2), se diferencian de las técnicas génicas, las cuales se ocupan de los genes en forma individual
(cuadro 3).
Técnicas reproductivas
Las técnicas reproductivas abarcan la inseminación, la congelación de semen, la micromanipulación, la
producción in vitro, el clonado y la congelación de los embriones. Los tratamientos hormonales de
inducción y sincronización del celo de las hembras receptoras de semen y embriones como así también
de las donantes de embriones, garantizan en muchos casos que las mencionadas técnicas se cumplan
con éxito.
La técnica reproductiva de mayor aplicación es la inseminación artificial (IA) y con ella la congelación de
semen. A pesar de la resistencia presentada originalmente por razones éticas se reconoció rápidamente
una de las ventajas de la IA con la disminución de las enfermedades infecciosas transmitidas a través
de la cópula. Con la misma celeridad se observó que era posible obtener una mayor descendencia de
un solo macho dividiendo el semen de un eyaculado en porciones e inseminando con las mismas varias
hembras simultáneamente. De esta forma es posible aprovechar el potencial de los machos en forma
intensiva y mejorar así la estimación del valor genético de los reproductores, dado que las
particularidades heredables son mejor evaluadas con un gran número de hijos.
La conservación de semen congelado en nitrógeno líquido posibilitó su almacenamiento durante
décadas, sin que ello afecte la fertilidad del mismo. La IA juega, junto con la congelación de semen, un
rol de importancia en la producción bovina. La inseminación artificial en las especies ovina, porcina y
equina no alcanzó un significado equivalente al existente en la especie bovina. En las dos últimas es
necesario modificar aún los métodos empleados para mejorar los resultados. La técnica de
inseminación artificial por medio de laparoscopía en la especie ovina permite actualmente obtener
resultados satisfactorios, lo que abrió las posibilidades del comercio internacional de semen.
La transferencia de embriones es una técnica reproductiva en constante desarrollo. Su evolución es
observable particularmente en la especie bovina. La TE asociada a la superovulación de las donantes
(capítulos, II al VIII) puede aumentar considerablemente el número de la descendencia por donante y de
esta forma multiplicar el componente genético materno (capítulo XVII). En la tabla 1 se resume el
significado que tiene la transferencia de embriones actualmente en Europa. Lamentablemente se
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dispone de poca información de la TE en países sudamericanos aunque las actividades y
comercialización con embriones frescos y congelados son actualmente relevantes en Argentina (cuadro
1), Brasil y Paraguay.
Tabla 1: Transferencias de embriones en Europa durante el año 1991 (8th Scientific Meeting, A.E.T.E.,
Lyon, 11-12 sept. 1992)
Pais
Alemania
Bélgica
Francia
Holanda*
Inglaterra*
Checoslovaquia
Union Soviética*
Irlanda
España
Italia
Lavajes de
donantes (n)
4170
2169
7896
2521
2141
1507
4800
979
306
1060
Σ
9
8
8
s.i.
s.i.
7
10
7
7
9
Embriones por donante
Útiles
Transferidos
(n)
frescos %
5
62
5
54
4
59
6
32
3
43
4
71
6
49
5
50
3
50
6
63
Congelados
%
38
46
41
68
57
29
51
50
50
37
s.i.: Sin información; *: registros de la misma fuente del año 1990
Cuadro 1:
Producción de terneros por medio de transferencia de embriones durante un año (7.917.92) en la República Argentina (Memorias de la Sociedad Rural Argentina, 1992)
Raza
Descendencia (n)
Aberdeen Angus
804
Holando Argentino
704
Hereford
556
Limousin
129
Fleckvieh
83
Otras
121
Total
2897
A través de la TE es posible aumentar el progreso genético, porque a través del aumento del número de
embriones y terneros el potencial genético de la hembra puede reproducirse y emplearse con más
eficacia. Razas y animales exóticos pueden, según las necesidades, reproducirse rápidamente. La
eficiencia de los programas de selección y cruzamiento aumentan considerablemente con la aplicación
de la transferencia de embriones. Junto con la TE es preciso también mencionar la congelación de
embriones por medio del método estándar y vitrificación (capítulo IX).
El almacenamiento de los embriones congelados se lleva a cabo en nitrógeno líquido (-196oC). De la
misma forma que el semen los embriones pueden almacenarse durante décadas. Las ventajas que
ofrece esta técnica es una mayor eficacia y ahorro en el uso de las receptoras en un programa de TE,
facilidad en el transporte de los embriones y en consecuencia la posibilidad del comercio de material
genético. De esta forma los animales nacen en el lugar de destino y se adaptan al macro- y microclima
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de la región. La congelación de los embriones permite la formación de reservas genómicas en forma de
bancos de embriones. Ello tiene particular importancia en la conservación de razas en peligro de
extinción, cuya producción y mantenimiento en establecimientos ganaderos son sumamente costosos.
Cuadro 2:
Objetivos de las técnicas reproductivas en el bovino
- IA y Congelación de semen
Combate y disminuye enfermedades sexuales
Empleo intensivo del potencial genético del macho y mejoramiento de la
estimación del valor genético (prueba de la descendencia)
- Sincronización del celo inducción de la ovulación y el parto
Facilidad en el manejo reproductivo y productivo
Disminución de la mortalidad neonatal
- Superovulación, TE, congelación de embriones
Optimización del potencial de la hembra
Rápida reproducción de individuos exóticos o razas en peligro de extinción
Formación de bancos de reservas genómicas
Facilidad en la importación y exportación del material genético
- Manipulación y microcirugía de embriones para la producción de
mellizos monocigotas y quimeras
Aumento del número de animales nacidos por embrión recolectado
Optimización de la estimación del valor genético
Creación de modelos de investigación
- Determinación del sexo
Selección del sexo de acuerdo a los objetivos establecidos
- Producción in vitro de embriones
Ahorro de donantes
Producción de embriones de vacas donantes que no responden a los
tratamientos superovulatorios
- Clonado de embriones por medio de transferencia nuclear
Variabilidad libre de recombinaciones de genotipos individuales
Aumento del número de terneros por embrión
La TE posibilitó la microcirugía de los embriones, con la producción de mellizos monocigotas (capítulo
X) y quimeras a través de la combinación de mitades de embriones diferentes. Por medio de la división
de los embriones es posible aumentar el número de embriones producidos en un programa
convencional de TE de 0,6-0,7 a 0,9-1,2 terneros por embrión dividido. Los mellizos producidos de esta
forma constituyen modelos adecuados en producción animal e investigación. Las pruebas llevadas a
cabo con mellizos idénticos permite una mayor exactitud de la estimación del valor genético de los
padres, dado que la varianza de los mellizos es menor que las de los hermanos enteros y medio
hermanos (capítulo XX). Posibilita también la evaluación de la influencia ambiental sobre los
reproductores; si los animales idénticos se crían en medios diferentes su condición genética idéntica
facilitará la determinación de cada diferencia ambiental (foto 1).
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Foto 1: Mellizos monocigotas de la raza Fleckvieh producidos por medio de Micromanipulación (BREM,
capítulo X)
La producción microquirúrgica de quimeras puede llevarse a cabo de dos formas. En primer lugar a
través de la inyección de células en el blastocele de embriones, en este caso se espera que las células
inyectadas tomen parte en el desarrollo del embrión. Otro método es la producción de quimeras a través
del agregado de embriones o hemi-embriones diferentes en una misma zona pelúcida (figura 1). Las
dos o más mitades o embriones enteros a agregar son liberados de la membrana pelúcida y
posteriormente las combinaciones deseadas nuevamente transportadas a una zona pelúcida común. El
nuevo embrión, producto del agregado, se organiza rápidamente y se transfiere de acuerdo con el
programa convencional.
Embrión I
Embrión II
Embrión I
Embrión II
Fig. 1: Modelo de producción de quimeras a partir de varios embriones
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Si se emplea como marcador el color de piel, la presencia de la quimera se determinará por los
diferentes colores del pelaje (foto 2).
Foto 2: Quimera producida con las razas Fleckvieh y Murnau Werdenfelser (BREM, 1986)
Las quimeras se emplean en la investigación genética básica de mutaciones y fallas genéticas dado que
es posible establecer como se comportan dos líneas diferentes en un individuo y su efecto sobre el
desarrollo corporal. Intensos trabajos de investigación en los últimos 10 años hicieron posible la
producción in vitro (PIV) de embriones (capítulo XI) y de la misma forma su cultivo hasta estadios
transferibles en condiciones convencionales. Las ventajas de la PIV de embriones son numerosas:
disminución del costo de los embriones, disponibilidad de embriones en estadios tempranos de
desarrollo a bajos costos, dado que con la producción in vivo la recolección de los embriones del
oviducto se lleva a cabo por medio de cirugía. El número de donantes pude reducirse. La PIV de
embriones puede ser utilizada además en aquellos casos en los cuales una vaca no puede ser sometida
a los lavajes convencionales o debe ser sacrificada. Esto es particularmente importante cuando se trata
de animales de alto valor genético como así también razas en peligro de extinción (foto 3).
Foto 3:
Ejemplar de la raza Murnau Werdenfelser en peligro de extinción, obtenido por medio de la
producción in vitro de embriones (BERG, capítulo XI)
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Hace pocos años se emplea la técnica de transferencia nuclear en la producción de clones, esto es, la
posibilidad de producir varios embriones genéticamente idénticos (capítulo XII). Con ayuda del clonado
es posible transferir algunos embriones para probar los animales nacidos mientras otros tantos
permanecen congelados.
Si el resultado de las pruebas es positivo los embriones pueden descongelarse emplearse como
donantes de blastómeros en un reclonaje. En teoría se dispone de un número ilimitado de núcleos para
nuevos reclonados. Las aplicaciones de esta técnica son interesantes como numerosas: las pruebas de
evaluación con estos animales es más exacta por la menor variabilidad genética de los clones,
posibilitando una evaluación más precisa de las influencias ambientales. Ahorra animales de
experimentación y de prueba (por ejemplo, descendencia) frente a aquellos con un menor vínculo
familiar. Con la multiplicación de animales de alto valor genético puede acelerarse el progreso genético.
Además es posible destinar un embrión para diagnosticar el sexo del clon, lo que permite seleccionar
los animales producidos también por su sexo.
Técnicas génicas
Las técnicas génicas conocidas también como de ingeniería genética incluyen el clonado de genes, el
análisis de los mismos para el diagnóstico de determinadas variantes génicas, que llevan consigo
particularidades positivas o negativas y la transferencia génica (Cuadro 3).
Cuadro 3:
Objetivos de las técnicas génicas en producción animal
- Producción génica de productos a través de la transformación de células de
levaduras, de bacterias o de animales mamíferos con un ADN recombinante in vitro
- Formación de un banco de genes para la conservación de material genético
- Modificación génica de los microorganismos del rumen con el objeto de alcanzar
una digestión más eficiente y la disposición endógena de producir componentes
metabólicos esenciales
- Métodos analíticos (Análisis génico)
Ayuda en la orientación de análisis génicos posteriores
Estudio de la relación entre marcadores ADN e importantes características
productivas
- Diagnóstico
Estudio genético y diagnóstico de fallas genéticas
Determinación de variantes génicas definidas para características deseadas
Determinación de la identidad de la ascendencia de animales reproductores
("impresión digital ADN")
- Transferencia de genes
Mejoramiento de la calidad de productos animales
Producción de animales resistentes a enfermedades
Mejora de la eficiencia productiva
Producción de proteínas (Gene Farming)
En la técnica de producción génica de sustancias por medio de la transformación de células de
levaduras, de bacterias o de mamíferos se introduce un ADN recombinante en las células a fin de
capacitarlas en la producción de proteínas. De esta forma pueden producirse hormonas, vacunas y
otras sustancias en forma idéntica a la natural, pura y a bajos costos.
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El empleo de microorganismos ruminales modificados génicamente permitió reducir el nivel de hidrólisis
de nitrógeno, la proteólisis y la producción de lactato regulando la relación de acetato, propionato y
butirato. A través de los organismos ruminales modificados genéticamente se espera una digestión más
eficiente y una mejora de la disponibilidad de aminoácidos y vitaminas. Este método de técnica génica
se encuentra aún en la fase de prueba y sometido a discusión sobre su libertad de aplicación, dado que
los microorganismos del rumen son liberados también en el ambiente. El análisis genómico tiene el
objetivo de describir una especie animal en forma progresiva y completa con ayuda de métodos
celulares y génicos. El mismo pretende identificar los genes y analizar sus secuencias de nucleótidos
para aclarar finalmente el modo de efecto de genes o complejos de ellos (capítulo XV).
Contrariamente a la especie humana, sobre la cual se discute el conflicto ético de analizar la totalidad
del genoma, ese aspecto no juega rol alguno en producción animal. Un análisis completo significa, sin
embargo, costos y esfuerzos muy grandes, razón por la cual sólo se llevan a cabo análisis parciales.
Los conocimientos obtenidos en la especie humana, más avanzados que en otras especies, convierten
a la primera en una modelo adecuado para el análisis del genoma de los animales de interés
zootécnico. Una vez identificado el gen deseado pueden buscarse las variantes naturales del mismo y
emplear los animales portadores en programas de mejoramiento. El número de genes identificados en
animales de interés productivo no supera en la actualidad los 100. En el hombre se identificaron hasta
ahora más de 3000 genes.
El análisis genómico comprende 3 áreas:
-
Mapa génico
Análisis de acoplamiento
Caracterización individual de genes
El mapeo génico pretende determinar la localización de características heredables en los cromosomas y
establecer una relación lineal entre ellos. Entre los métodos de mapeo se incluyen el empleo de híbridos
celulares, la hibridación in situ, la microdisección cromosómica y la subordinación de una característica
al efecto conjunto de varios genes. Los mapas génicos sirven de orientación en el genoma. Cuanto más
exacto es el conocimiento de la estructura y localización individual de los genes, más exacto es el
reconocimiento de la totalidad del genoma. El análisis de acoplamiento genético pretende determinar la
distancia entre dos localizaciones génicas. En producción animal se intenta establecer una relación
entre marcadores ADN y características de importancia productiva. De esta forma el marcador ADN se
convierte en el punto de partida del segmento que contiene el gen de interés.
Actualmente se dispone de dos métodos de análisis de acoplamiento genético: polimorfismo del largo
del fragmento de restricción (restrictions-fragment-large-polimorphisms) PLFR y el VNTRs. El PLFR
basa su actividad en la capacidad de las enzimas de restricción de cortar una cadena de ADN sólo en
aquellas posiciones donde se encuentran las secuencias de bases que responden a la enzima de
restricción. Si se modifican sólo los pares de bases, se originan fragmentos de restricción de diverso
largo, que pueden separase con ayuda de electroforesis en gel. Si la característica en cuestión aparece
en una familia, se aisla el ADN de cada uno de los miembros y con ayuda de enzimas de restricción y
una sonda de ADN se producen muestras fragmentadas. Cuando el marcador genético se encuentra
ubicado lo suficientemente cercano al segmento de ADN que codifica la característica a estudiar, se
heredará siempre junto con él. Esto es, están acoplados.
El segundo método de acoplamiento es el conocido como "variable numberd tandem repeats" (VNTR).
Estas son pares de bases muy cortas ordenadas en tandem con diferente número de copias y que
pueden estar distribuidas en gran número sobre todo el genoma. La diferencia de largo se establece por
medio de PLFR. La diferencia se basa en que dada la frecuencia de su presencia con este método se
aumenta la posibilidad de establecer un acoplamiento.
El tercer campo de análisis genómico es el de la caracterización individual. Genes individuales de
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importancia para la producción animal son caracterizados en su estructura de secuencia ADN a fin de
establecer un cuadro exacto de los fenómenos hereditarios a nivel molecular. Un ejemplo de ello es la
aracnomegalia en la raza Braunvieh europea, gen letal con un índice endémico de 5%. Etiológicamente
se supone un defecto en los genes responsables de la producción del colágeno. Si ese gen fuera
identificado a nivel molecular podría ser evaluada su presencia en cada reproductor de forma tal de
eliminar a los portadores.
Con el diagnóstico génico se pretende en producción animal reconocer variantes génicas, que
influencian en forma positiva ciertas características de interés productivo. En la actualidad existen dos
métodos diagnósticos disponibles para determinar segura y rápidamente la presencia de esas variantes
génicas: hibridación y sonda de ADN o PCR (Polymerase-Chain-Reaction). La hibridación consiste en el
corte de la hélice de ADN en fragmentos por medio de enzimas de restricción, los fragmentos son
separados electroforéticamente. Genes individuales pueden ser identificados con ayuda de una sonda
génica, dado que ésta se deposita en el fragmento de ADN.
PCR permite obtener de un sólo fragmento de ADN varios millones de copias en un lapso de pocas
horas. Estas se hacen visibles con ayuda de una minielectroforesis, ahorrando el trabajoso método de
hibridación. Con ambos métodos de diagnóstico génico pueden identificarse variantes génicas aún
cuando se presentan en estado heterocigota. Un ejemplo de ello es la determinación del sexo de
embriones, que se lleva a cabo con PCR antes de la transferencia (capítulo XV). El principio del
fenómeno conocido como impresión digital ADN se basa en que si el genoma total de los animales fuera
cortado y evaluado con diferentes pruebas se observaría que ningún animal es idéntico a otro,
respondiendo al mismo principio de la impresión digital. A ello se lo denomina polimorfismo del lugar de
corte. El mismo está determinado por fenómenos de mutación natural y tiene como consecuencia
diferentes largos de fragmentos de restricción, lo que establece un modelo individual para cada animal.
En teoría puede identificarse cada animal sin riesgo de confusión.
Dado que el ADN se transmite a la descendencia y las mutaciones ocurren raras veces se emplea este
método para la determinación de la ascendencia, ya que los hijos portan sólo fragmentos de ADN que
están presentes en los padres.
La transferencia de genes (capítulo XIII) se estableció como técnica a partir de la década de 1980
transfiriendo, en primeras experiencias, secuencias recombinadas a ratones. A partir de 1985 se
informó sobre los primeros animales domésticos transgénicos. Para la transferencia génica es
importante que cada gen sea aislado, caracterizado y recombinado con elementos reguladores
adecuados. Ello ocurre gracias a la ayuda de métodos biológico-moleculares. La transferencia génica
debe llevarse a cabo en lo posible en estadios embrionarios tempranos, a fin de que la estructura génica
se integre en todas las células corporales. Por esa razón el mejor momento del desarrollo del individuo
es el estadio unicelular. Para llevar a cabo la transferencia de genes existen 3 técnicas disponibles: la
microinyección de ADN en el pronúcleo de los cigotos, la transferencia a través de vectores retrovirales
y a través de células totipotentes transformadas genéticamente.
El espectro de aplicaciones de la transferencia génica en producción bovina es grande. En primer lugar
pueden mejorarse la calidad o la composición de sus productos. Ejemplos de ello son: la producción de
leche libre de lactosa para aquellas personas que sufren de insuficiencia de lactasa, la mejora en la
composición cárnea de la res, la producción de animales resistentes a enfermedades, la producción de
proteínas importantes para el hombre en animales. En ese "gene farming" se acoplan promotores a
interesantes estructuras génicas (factores de la coagulación, por ejemplo) y transfieren a animales que
producirán la proteína deseada. Además se pretende modificar el equilibrio dinámico entre la biosíntesis
y degradación de determinados productos a través de enzimas claves para favorecer la producción de
ciertos productos de regulación compleja. La investigación y desarrollo de estas técnicas significan un
esfuerzo económico de magnitud y una inversión de tiempo muy grande. Es de esperar, sin embargo,
que los resultados brindarán importantes aportes a la producción animal.
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