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Décimo 10° · Biología
La biotecnología · Las técnicas de la biotecnología

Las técnicas de ingeniería genética

Para identificar a una persona a partir de una gota de sangre, o para que una bacteria fabrique insulina humana, hay que poder copiar, cortar, pegar y leer el ADN. Hace unas décadas era un trabajo de años; hoy un laboratorio, como los de la UCR o el Instituto Clodomiro Picado, lo hace en una tarde. En esta página usted conocerá las herramientas que lo hacen posible: PCR, electroforesis, enzimas de restricción, clonación molecular y CRISPR-Cas9.

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

En una escena de crimen que analiza el laboratorio de ciencias forenses del OIJ, o en un resto óseo, a veces solo hay una cantidad mínima de ADN, insuficiente para analizarla. ¿Cómo conseguir millones de copias idénticas del fragmento que interesa, sin usar células vivas?

Crecimiento exponencial en la PCR: una molécula de ADN de doble cadena pasa a dos copias tras el primer ciclo y el proceso continúa en los ciclos siguientes. 1 molécula ciclo 1 2 copias … cada ciclo duplica el número de copias: crecimiento exponencial

Si cada ciclo duplica las copias, después de $n$ ciclos hay $2^n$ moléculas por cada molécula inicial. Con 30 ciclos son más de mil millones.

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¿Qué es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y para qué se utiliza? Nombre dos situaciones prácticas en las que resulte imprescindible amplificar ADN.

¿Qué es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y para qué se utiliza? Nombre dos situaciones prácticas en las que resulte imprescindible amplificar ADN.

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El ciclo de la PCR: desnaturalización, hibridación y extensión

Ciclo de la PCR en tres paneles: a 94 °C las dos cadenas del ADN se separan, a 55 °C los cebadores se unen a cada cadena molde y a 72 °C la polimerasa alarga los cebadores y copia la cadena; una flecha vuelve al inicio y se repite 25-35 veces. desnaturalización 94 °C hibridación 55 °C extensión 72 °C ADN molde cebador polimerasa cadena nueva se repite 25-35 veces
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El esquema muestra un ciclo de PCR con sus tres pasos numerados y la temperatura de cada uno. Explique qué ocurre en cada paso y razone por qué cada uno requiere su…

El esquema muestra un ciclo de PCR con sus tres pasos numerados y la temperatura de cada uno. Explique qué ocurre en cada paso y razone por qué cada uno requiere su temperatura característica.

94 °C 55 °C 72 °C 1 2 3 se repite el ciclo
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Electroforesis en gel: separar y leer fragmentos

Después de una PCR o de un corte con enzimas, ¿cómo se sabe qué fragmentos de ADN hay en el tubo y de qué tamaño son? Se separan por electroforesis en gel.

El ADN tiene carga negativa (por los grupos fosfato). Se siembra la muestra en un gel poroso, se aplica una corriente eléctrica y los fragmentos migran hacia el polo positivo. El gel actúa como un tamiz: los fragmentos pequeños avanzan más rápido y llegan más lejos; los grandes quedan más cerca de donde se sembró. Al teñir el ADN se ven bandas, una por cada tamaño de fragmento.

Gel de electroforesis con tres calles: un marcador de tamaños y dos muestras. Los fragmentos migran del polo negativo, arriba, al polo positivo, abajo; los más pequeños recorren más distancia. marcador muestra 1 muestra 2 (−) polo negativo (+) polo positivo fragmentos grandes fragmentos pequeños

Para leer un gel se compara cada banda con las del marcador (un conjunto de fragmentos de tamaño conocido). En la muestra 1 hay dos bandas; en la muestra 2 hay tres bandas, y las tres coinciden con las del marcador. Esto es lo que se hace al comparar perfiles genéticos: si dos muestras tienen las mismas bandas, tienen el mismo patrón de fragmentos.

Enzimas de restricción: tijeras moleculares

Cuando un virus que ataca bacterias (un bacteriófago) inyecta su ADN en una bacteria, ese ADN a veces es cortado en pedazos y el ADN de la propia bacteria queda intacto. ¿Cómo reconoce la bacteria lo que debe cortar?

La enzima de restricción EcoRI reconoce la secuencia diana palindrómica GAATTC en el ADN de doble cadena y corta ambas cadenas de forma escalonada. Quedan dos fragmentos con colas monocatenarias complementarias en sus extremos 5′, los extremos cohesivos compatibles. EcoRI enzima de restricción CAGAA TTCTG GTCTT AAGAC 5′3′ 3′5′ secuencia diana (palindrómica) corte de ambas cadenas CAG GTC TTAA AATT CTG GAC 5′3′ 3′5′ 3′3′ 5′5′ corte en el mismo punto de la secuencia diana colas monocatenarias complementarias (extremos compatibles)

También sirven para analizar ADN: cortar una muestra con una enzima y separar los fragmentos por electroforesis produce un patrón de bandas que depende de dónde estén las secuencias de corte.

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¿Qué son las enzimas de restricción, de qué organismos se obtienen y cuál es su función en la ingeniería genética?

¿Qué son las enzimas de restricción, de qué organismos se obtienen y cuál es su función en la ingeniería genética?

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Clonación molecular y organismos transgénicos

Antes se obtenía la insulina para tratar la diabetes a partir de páncreas de animales, con costos altos y riesgo de reacciones alérgicas. Hoy la que usan los pacientes de la CCSS se produce en bacterias. ¿Cómo lograr que una bacteria fabrique de forma ilimitada una proteína humana?

Clonación molecular en cuatro pasos: corte del plásmido y del gen con la misma enzima de restricción, unión con ADN ligasa para formar un plásmido recombinante, transformación de una bacteria y selección de las colonias transformadas en un medio con antibiótico. 1. Corte con la misma enzima de restricción plásmido (vector) marcador de resistencia ADN donante gen de interés 2. Unión la ADN ligasa sella los extremos gen insertado plásmido recombinante 3. Transformación la bacteria capta el plásmido cromosoma plásmido bacteria transformada 4. Selección medio con antibiótico solo crecen las bacterias con el plásmido

Un ejemplo es la bacteria que produce insulina humana. Para obtener un transgénico se aísla el gen de interés, se lo inserta en un vector y se lo introduce en las células del organismo receptor; en bacterias se usa un plásmido. En plantas, por ejemplo, se suele usar una bacteria del suelo (Agrobacterium) o se dispara el ADN a las células, y luego se regenera una planta completa a partir de las células modificadas; así se estudian cultivos como el maíz o la piña. Cómo se usan estos organismos y qué debates generan se trata en el apartado de aplicaciones.

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¿Qué es un organismo transgénico? Ponga un ejemplo y explique, en líneas generales, cómo se obtiene.

¿Qué es un organismo transgénico? Ponga un ejemplo y explique, en líneas generales, cómo se obtiene.

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Ordene los pasos necesarios para clonar un gen humano en bacterias y justifique el orden: introducir el plásmido recombinante en la bacteria, cortar el gen y el plásmido…

Ordene los pasos necesarios para clonar un gen humano en bacterias y justifique el orden: introducir el plásmido recombinante en la bacteria, cortar el gen y el plásmido con la misma enzima de restricción, unir el gen al plásmido con ADN ligasa, seleccionar y multiplicar las bacterias transformadas.

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CRISPR-Cas9: edición genética de precisión

CRISPR-Cas9 en tres pasos. Primero, el ARN guía se une a la proteína Cas9. Después, el complejo se une al ADN y el ARN guía se aparea con la secuencia diana complementaria. Cas9 corta allí las dos cadenas. El resultado es un corte de doble cadena que reparan los sistemas de la célula. 1. ARN guía + Cas9 2. Unión a la secuencia diana y corte ARN guía (llave) Cas9 (tijera) ADN corte corte Cas9 secuencia diana 3. Resultado: corte de doble cadena las dos cadenas quedan cortadas en la secuencia diana la célula repara el ADN: elimina, corrige o inserta bases
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CRISPR-Cas9 permite editar el genoma con gran precisión. Explique de forma sencilla qué función desempeña la guía de ARN y qué función desempeña la proteína Cas9 en esta…

CRISPR-Cas9 permite editar el genoma con gran precisión. Explique de forma sencilla qué función desempeña la guía de ARN y qué función desempeña la proteína Cas9 en esta técnica.

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Resumen

Vuelva al principio: para identificar a una persona con una gota de sangre se amplifica el ADN por PCR y se comparan las bandas en un gel; para que una bacteria fabrique insulina humana se corta, se pega y se clona el gen.

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