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La biotecnología · Las técnicas de la biotecnología

Las técnicas de ingeniería genética

Te conviene dominar: El ADN y el ARN (Biología (Biology) (high school))
Te conviene dominar: La expresión génica (Biología (Biology) (high school))

Imagina que eres un técnico en un laboratorio de la Universidad de Texas a principios de los años 80: leer o modificar un gen era un trabajo de años. Hoy un laboratorio puede copiar un fragmento de ADN mil millones de veces en una tarde, cortarlo y pegarlo en otro organismo, o reescribir una letra concreta de un genoma con una precisión casi quirúrgica. Estas cuatro técnicas —PCR, enzimas de restricción, clonación molecular y CRISPR-Cas9— son la caja de herramientas que hizo posible la biotecnología moderna. La secuenciación de ADN (DNA sequencing) solo se menciona: lee el orden de las bases de un fragmento amplificado. CRISPR-Cas9 solo se describe, sin detalles moleculares extra. Esta página está alineada con AP® Biology (AP®-aligned); AP® es una marca registrada de College Board, que no está afiliada con este sitio.

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

En inglés, polymerase chain reaction (PCR). Vocabulario que verás en el examen: primer (cebador), denaturation (desnaturalización), annealing (hibridación), extension (extensión), Taq polymerase, restriction enzymes (enzimas de restricción), plasmid (plásmido), ligase, gel electrophoresis, guide RNA (ARN guía), transformation y antibiotic resistance (resistencia a antibióticos).

En la escena de un crimen, los investigadores del FBI o de la policía de Houston solo recuperan una mota microscópica de sangre con unos pocos picogramos de ADN, una cantidad del todo insuficiente para analizarla con el perfil de ADN (CODIS): ¿cómo conseguir millones de copias idénticas de ese fragmento exacto en apenas unas horas sin recurrir a células vivas?

Esquema del crecimiento exponencial en la PCR: una molécula de ADN bicatenario 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
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¿Qué es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y para qué se utiliza? Nombra 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? Nombra dos situaciones prácticas en las que resulte imprescindible amplificar ADN.

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El ciclo de la PCR: desnaturalización, hibridación y extensión

Cada ciclo tiene tres pasos: desnaturalización (denaturation), hibridación (annealing) y extensión (extension).

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. Explica qué ocurre en cada paso y razona por qué cada uno requiere su…

El esquema muestra un ciclo de PCR con sus tres pasos numerados y la temperatura de cada uno. Explica qué ocurre en cada paso y razona 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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Para amplificar por PCR un fragmento de ADN bicatenario diana, se conoce la secuencia de los extremos de una de sus hebras (leída en sentido 5' $\rightarrow$ 3'):…

Para amplificar por PCR un fragmento de ADN bicatenario diana, se conoce la secuencia de los extremos de una de sus hebras (leída en sentido 5' $\rightarrow$ 3'):

5'-ATGCCGTAG... [fragmento diana de $600\ \text{pb}$] ...ACGTTCGAT-3'

  1. a) Diseña la secuencia y la polaridad (5' $\rightarrow$ 3') de los dos cebadores de ADN (de 9 nucleótidos cada uno) necesarios para amplificar dicha región. Justifica por qué ambos cebadores deben tener secuencias distintas y orientarse en sentidos convergentes.
  2. b) Un estudiante programa el termociclador con los siguientes ciclos: $60\ \text{°C}$ (anillamiento) y $72\ \text{°C}$ (elongación), omitiendo intencionalmente el paso a $95\ \text{°C}$. Tras 30 ciclos, analiza la muestra por electroforesis y no observa ninguna banda. Justifica a nivel molecular la causa del fracaso.
  3. c) Si se parte de 2 moléculas de ADN bicatenario iniciales y la reacción tiene una eficiencia teórica del $100\ \%$, deduce cuántas moléculas bicatenarias que contengan exclusivamente la longitud exacta delimitada por los cebadores se habrán generado al completarse el tercer ciclo de la PCR. Justifica tu respuesta razonando paso a paso qué ocurre en cada ciclo.
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En un laboratorio se pretende amplificar un gen humano mediante PCR, pero por error un técnico utiliza ADN polimerasa I purificada de Escherichia coli en lugar de la…

En un laboratorio se pretende amplificar un gen humano mediante PCR, pero por error un técnico utiliza ADN polimerasa I purificada de Escherichia coli en lugar de la polimerasa Taq habitual de Thermus aquaticus.

  1. a) Si se aplica el programa térmico estándar ($95\ \text{°C}$ durante $30\ \text{s}$, $55\ \text{°C}$ durante $30\ \text{s}$ y $72\ \text{°C}$ durante $1\ \text{min}$, repetido 30 veces), predice qué resultado se obtendrá en la electroforesis en gel de agarosa y justifica molecularmente qué le sucede a la enzima de E. coli durante el primer ciclo.
  2. b) En los inicios de la técnica, antes del aislamiento de polimerasas termófilas, la PCR se realizaba con ADN polimerasa I de E. coli. Diseña la modificación del protocolo experimental que debían llevar a cabo los investigadores en cada uno de los 30 ciclos para lograr la amplificación y explica qué inconvenientes prácticos planteaba.
  3. c) La polimerasa Taq carece de actividad exonucleasa 3' $\rightarrow$ 5', a diferencia de otras polimerasas termoestables como Pfu. Justifica cuál de las dos enzimas es más idónea para amplificar un gen con fines terapéuticos donde no se toleren errores de secuencia, explicando la función de dicha actividad enzimática.
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Enzimas de restricción: tijeras moleculares

Cuando un bacteriófago inyecta su genoma en una bacteria resistente, el ADN vírico es fragmentado y degradado de inmediato mientras el ADN bacteriano permanece intacto: ¿qué mecanismo molecular permite reconocer y cortar secuencias invasoras con precisión milimétrica?

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)
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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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Electroforesis en gel (gel electrophoresis)

Después de cortar o amplificar ADN, ¿cómo se comprueba qué fragmentos hay y de qué tamaño? Así se lee también un perfil de ADN forense.

Clonación molecular: ADN ligasa, vectores y bacterias transformadas

Hasta 1982, las personas con diabetes en Estados Unidos dependían de insulina extraída de páncreas de cerdo y de res de mataderos, con alto costo y riesgo de alergias; ese año la FDA aprobó la primera insulina humana recombinante: ¿cómo lograr que una bacteria común fabrique de forma inagotable una proteína exactamente 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
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¿Qué es un organismo transgénico? Pon un ejemplo y explica, en líneas generales, cómo se obtiene.

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

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

Ordena los pasos necesarios para clonar un gen humano en bacterias y justifica 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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Un grupo de investigación quiere sintetizar la hormona peptídica insulina en la bacteria Escherichia coli. Para ello, aíslan directamente el gen de la insulina a partir…

Un grupo de investigación quiere sintetizar la hormona peptídica insulina en la bacteria Escherichia coli. Para ello, aíslan directamente el gen de la insulina a partir del ADN nuclear de células pancreáticas humanas y lo insertan en un plásmido bacteriano junto a un promotor eficaz de E. coli.

  1. a) Tras introducir el plásmido en las bacterias, comprueban que se sintetiza un polipéptido aberrante, inactivo y de tamaño incorrecto. Explica por qué el ADN genómico eucariota no puede expresarse adecuadamente en una bacteria, haciendo referencia a la estructura del gen y a la maquinaria de procesamiento del ARN.
  2. b) Diseña la estrategia biotecnológica para resolver este problema: indica qué molécula debes aislar como molde inicial, qué tipo de cebador sintético específico emplearías aprovechando una modificación postranscripcional de dicha molécula y qué enzima de origen vírico utilizarás para sintetizar la primera hebra de ADN complementario (ADNc).
  3. c) Al comparar la secuencia del ADNc obtenido con la del gen nuclear inicial, se comprueba que el ADNc es mucho más corto y carece de la secuencia promotora original humana. Explica por qué ocurre esto y justifica cómo se consigue que la bacteria transcriba dicho ADNc una vez clonado en el plásmido.
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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. Explica 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. Explica 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

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