Ingeniería Genética: Manipulando el Genoma

1. Ingeniería Genética: Modificando la Vida

La ingeniería genética es un conjunto de técnicas derivadas de la biología molecular que permiten manipular el genoma de un ser vivo. Mediante la ingeniería genética o tecnología del ADN recombinante, se pueden aislar genes, modificarlos, introducirlos en nuevos hospedadores y clonar estos para obtener una ventaja novedosa sobre el organismo natural.

2. Secuenciación de ADN: Descifrando el Código Genético

La secuenciación de ADN es un conjunto de técnicas que determinan el orden de los nucleótidos (A, T, C, G) en el ADN. Sus aplicaciones incluyen la secuenciación de genomas (incluido el humano o el de seres fósiles), la detección de mutaciones, el diagnóstico de enfermedades y la identificación de especies por secuenciación de genomas.

3. PCR: Multiplicando el ADN

La PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) es un procedimiento que permite obtener múltiples copias de ADN a partir de una muestra pequeña (por ejemplo, de un folículo piloso). Esta técnica se utiliza para clonar genes, en estudios evolutivos e históricos o arqueológicos, o en medicina forense e investigaciones policiales.

Se requiere de:

• ADN polimerasa resistente al calor: Taq polimerasa de Thermus aquaticus (74ºC)
• Muestra de ADN
• Nucleótidos en abundancia
• Dos cebadores complementarios a los extremos de las secuencias de ADN que se quieren amplificar

4. Electroforesis: Separando Fragmentos de ADN

La electroforesis es una técnica que permite separar fragmentos de ADN según su tamaño gracias al paso de una corriente eléctrica a través de un gel que contiene los mismos. Es una técnica de separación rutinaria en los laboratorios.

Para cortar el ADN se utilizan enzimas de restricción, endonucleasas que cortan, de forma escalonada (extremos cohesivos) o recta (extremos limpios), los enlaces fosfodiéster del ADN en secuencias específicas denominadas palindrómicas. Son las tijeras moleculares.

5. Clonación: Creando Copias Idénticas

La clonación es un conjunto de procesos que permite producir copias genéticamente iguales (=clones) de una entidad biológica.

5.1. Clonación Génica: Multiplicando Genes

La clonación génica consiste en aislar y multiplicar un gen, o en general, un trozo de ADN, e introducirlo en otro individuo de una especie distinta.

Para pegar fragmentos de ADN compatibles se utiliza la ADN ligasa. Para copiar el ADN se utilizan los vectores de clonación, moléculas de ADN con capacidad de replicación y expresión de sus genes dentro de una célula. Se utilizan en la ingeniería genética para introducir fragmentos de ADN de una especie en otra.

Los más utilizados en bacterias son los plásmidos, pequeñas moléculas circulares de ADN capaces de autorreplicarse y que viven en el interior de las bacterias.

Los plásmidos se dividen de forma coordinada con la célula que los contiene.

Las genotecas genómicas contienen genes completos (intrones y exones). Si se necesitan los exones en eucariotas, se deben preparar genotecas a partir de ARN para someterle a un procedimiento de maduración artificial.

5.2. Clonación Reproductiva: Creando Organismos Idénticos

La clonación reproductiva (de organismo) consiste en obtener un individuo a partir de una célula o de un núcleo de otro individuo.

Un clon es un organismo genéticamente idéntico a otro del que procede. Los organismos unicelulares, plantas y algunos animales (ej. cnidarios) se clonan de forma natural al reproducirse asexualmente.

En 1997, Wilmut y Campbell revolucionaron el panorama científico al producir la oveja Dolly por transferencia nuclear, a partir del núcleo de una célula adulta de la ubre de una oveja fusionado con un óvulo enucleado de una oveja de otra raza. Formaron así varios óvulos nucleados con una dotación diploide de cromosomas que implantaron en los úteros de varias ovejas de la misma raza que las donantes de óvulos. Se desarrollaron varios embriones en grado diferente, aunque solo uno llegó hasta el estadio final de feto, la oveja Dolly.

CRISPR-Cas: Edición Genética de Precisión

CRISPR-Cas es una región del ADN de bacterias y arqueas formada por el operón Cas, que codifica las endonucleasas, y la región CRISPR.

Editar un Gen Utilizando CRISPR

1. Los científicos crean una secuencia genética llamada»ARN guí» que coincide con la pieza de ADN que desean modificar.
2. Esta secuencia se añade a una célula junto con una proteína llamada Cas9 y actúan como un par de tijeras que cortan el ADN.
3. El ARN guía se acopla en la secuencia de ADN objetivo y Cas9 la corta. Una vez que su trabajo está completo, el ARN guía y Cas9 se retiran.
4. Ahora, otra pieza de ADN reemplaza al ADN antiguo y las enzimas reparan los cortes.

Biotecnología: Aplicaciones de la Biología

La biotecnología es un campo de aplicación de la biología que utiliza organismos vivos en beneficio humano.

Aplicaciones en Salud

• Terapia génica, ejemplo SCID: Edición genética con CRISPR, por ejemplo en la amaurosis congénita de Leber (ceguera), anemia falciforme, beta talasemia, etc.
• Producción de antibióticos, vacunas y sueros por ingeniería genética.
• Hoy en día muchas vacunas se crean mediante recombinación genética. Ejemplo: La hepatitis B.
• Prevención de enfermedades genéticas.
• Hipotético tratamiento»in vitr» en el que se sustituye un gen defectuoso por el correcto en el propio cigoto del nuevo individuo.

Aplicaciones en Agricultura

• El maíz transgénico es resistente al herbicida Basta y también es resistente al gusano barrenador europeo (contiene el gen de resistencia a la toxina Bt de Bacillus thuringiensis) produce su propio insecticida.
• Gold rice con color amarillo por los altos niveles de vitamina A y se obtiene mediante CRISPR.
• Carpas y salmones que sobreviven en ambientes más fríos gracias a proteínas anticongelantes o que crecen más rápido al modificar sus hormonas de crecimiento.

Transcripción: Del ADN al ARN

La transcripción es el proceso de copia de la información genética del ADN al ARN.

Iniciación

1. La ARN polimerasa se une a través de su subunidad factor sigma a una secuencia corta de ADN llamada promotor, que se encuentra al inicio de un gen. Cada gen (o grupo de genes co-transcritos en bacterias) tiene su propio promotor.
2. Una vez unida, la ARN polimerasa separa las cadenas de ADN para proporcionar el molde de cadena sencilla necesario para la transcripción.

Elongación

1. La ARN polimerasa lee la cadena molde (3’-5’) y sintetiza una nueva hebra de ARN (5’-3’), sin necesidad de cebador, y usando la propiedad de complementariedad de bases. En vez de añadir desoxirribonucleótido de timina añade desoxirribonucleótido de uracilo.
2. Según se va formando el ARN mensajero, éste es reconocido por los ribosomas 70s y así comienza la traducción simultánea a proteínas.
3. Se separa el factor sigma y se dirige a otras polimerasas.

Terminación

1. La ARN polimerasa reconoce una secuencia señal»terminado» que es transcrita.
2. Se separa la ARN pol, formando el tránscrito primario, que no requiere maduración.

Helicasa: Rompe puentes de hidrógeno y abre la doble cadena en la horquilla de replicación.

SSB: Proteínas que se unen a cadenas sencillas de ADN para estabilizarlas.

Topoisomerasas: Girsasa que corta, desenrolla y pega las cadenas de ADN eliminando tensiones.

El splicing del pre-ARN mensajero es un proceso en el que se eliminan las regiones no codificantes (intrones) y se unen las regiones codificantes (exones) para formar el ARN mensajero maduro. Esto ocurre en el núcleo de las células eucariotas, como animales, plantas y hongos. El proceso es llevado a cabo por el spliceosoma, un complejo ribonucleoproteico, y es crucial para la diversidad de proteínas que una célula puede producir.

Traducción: Del ARN a la Proteína

La traducción es el proceso de síntesis de proteínas a partir de la información genética contenida en el ARN mensajero.

Pasos de la Traducción

1. Formación del aminoacil ARNt: Consiste en la unión de un aminoácido a su ARNt gracias a la enzima aminoacil ARNt sintetasa y al ATP.
2. Inicio: La subunidad pequeña del ribosoma reconoce el triplete de iniciación del ARNm y se une a él. A continuación, el ARNt de la metionina, cuyo anticodón es UAC, se une al ARNm por apareamiento de bases en el centro P.
3. Finalmente se acopla la subunidad grande del ribosoma, quedando constituido el complejo de iniciación de la traducción.
4. Elongación de la cadena polipeptídica: El centro A del ribosoma recibe un nuevo aminoacil ARNt seleccionado por el anticodón correspondiente al codón del ARNm. El ribosoma se desplaza sobre el ARNm en sentido 5′ a 3′. El primer ARNt que ha quedado libre pasa al centro E y es expulsado del ribosoma. El dipéptido formado ocupa el centro P y el centro A queda libre para la llegada de un nuevo aminoacil ARNt. Se forma un enlace peptídico entre la metionina y el aminoácido recién llegado por la peptidil transferasa.
5. Fin de la traducción: La elongación de la cadena sigue hasta que el centro A se ocupa con uno de los codones de terminación. Estos codones no fijan ningún aminoacil ARNt, sino unas proteínas: los factores de terminación.
6. Se desmonta el ensamblaje ARN, ribosomas cuyas subunidades quedan libres y la cadena polipeptídica queda libre.

Regulación de la Expresión Génica

En los seres pluricelulares eucariotas, para controlar las proteínas que se sintetizan codificadas por el ADN, existen dos tipos de genes:

• Genes constitutivos: Se expresan constantemente en bajos niveles. Son genes de mantenimiento. Ej.: beta actina, enzimas de la glucolisis.
• Genes regulados: Se expresan de forma diferencial en determinadas células, momentos vitales concretos o por la aparición de señales extracelulares. Son responsables de la diferenciación celular. Su regulación es vital para el desarrollo del individuo y para la evolución. La regulación mayoritaria es a nivel de la transcripción. Se realiza mediante operones. Un operón es un conjunto de genes, que se regulan de forma conjunta, y que codifican proteínas. Sirve para producir enzimas en función de las necesidades reales de la célula.

Etiquetas: ADN, ARN, Biotecnología, Clonación, CRISPR, genoma, ingeniería genética