La biotecnología · Las técnicas de la biotecnología
Las técnicas de ingeniería genética
Te conviene dominar: El ADN y el ARN (1.° de Educación Media Superior (bachillerato))
Te conviene dominar: La expresión génica (1.° de Educación Media Superior (bachillerato))
Hace cuarenta años, leer o modificar un gen era un trabajo de años. Hoy un laboratorio, como los de la Facultad de Ciencias o el Institut Pasteur de Montevideo, puede copiar un fragmento de ADN mil millones de veces en una tarde, cortarlo y pegarlo en otro organismo, o cambiar una letra concreta de un genoma. Si en una escena policial queda una gota de sangre con unos pocos picogramos de ADN, ¿cómo se consigue material suficiente para analizarla? Estas técnicas (PCR, enzimas de restricción, ADN recombinante, clonación y CRISPR-Cas9) son la caja de herramientas de la biotecnología moderna, y en esta página vas a aprender a usarlas y a discutir qué implicaciones tienen.
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
Una muestra forense, o la de un paciente con una infección, trae muy poco ADN. Con tan poco material no se puede secuenciar ni analizar. Hace falta fabricar millones de copias idénticas del fragmento que interesa, sin usar células vivas.
Si cada ciclo duplica las copias, después de $n$ ciclos hay $2^n$ moléculas por cada molécula inicial. Con 30 ciclos son $2^{30} \approx 1{,}07 \cdot 10^9$: más de mil millones de copias.
Practica★☆☆Sin empezar
¿Qué es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y para qué se utiliza? Nombrá 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? Nombrá dos situaciones prácticas en las que resulte imprescindible amplificar ADN.
El ciclo de la PCR: desnaturalización, hibridación y extensión
Cada temperatura tiene su razón. El calor alto rompe los puentes de hidrógeno entre las cadenas. Una temperatura intermedia deja que los cebadores se peguen por complementariedad sin que se despeguen enseguida. Y $72\ \text{°C}$ es cercana al óptimo de la polimerasa.
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El esquema muestra un ciclo de PCR con sus tres pasos numerados y la temperatura de cada uno. Explicá qué ocurre en cada paso y razoná por qué cada uno requiere su…
El esquema muestra un ciclo de PCR con sus tres pasos numerados y la temperatura de cada uno. Explicá qué ocurre en cada paso y razoná por qué cada uno requiere su temperatura característica.
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.
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), predecí qué resultado se obtendrá en la electroforesis en gel de agarosa y justificá molecularmente qué le sucede a la enzima de E. coli durante el primer ciclo.
b) En los inicios de la técnica, antes del aislamiento de polimerasas termófilas, la PCR se realizaba con ADN polimerasa I de E. coli. Diseñá la modificación del protocolo experimental que debían llevar a cabo los investigadores en cada uno de los 30 ciclos para lograr la amplificación y explicá qué inconvenientes prácticos planteaba.
c) La polimerasa Taq carece de actividad exonucleasa 3' $\rightarrow$ 5', a diferencia de otras polimerasas termoestables como Pfu. Justificá 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.
Cuando un bacteriófago inyecta su genoma en una bacteria, muchas veces ese ADN se corta en pedazos mientras el ADN bacteriano queda intacto. ¿Cómo distingue la bacteria el ADN invasor y lo corta en puntos precisos?
La bacteria protege su propio ADN modificando químicamente (metilando) esas secuencias, de modo que su enzima no las corta. El ADN del fago no tiene esa marca y se corta.
La secuencia diana suele ser palindrómica: leída de $5'$ a $3'$ es igual en las dos cadenas (GAATTC arriba, GAATTC abajo). Como el corte es escalonado, deja colas de una sola cadena que se pueden volver a pegar con otra cola complementaria.
Practica★☆☆Sin empezar
¿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?
Un gen humano no entra solo en una bacteria. Hay que ponerlo dentro de una molécula que la célula acepte y copie.
Un vector es la molécula que transporta el gen hasta la célula y permite que se replique allí. Los más usados:
Vector
Qué es
Para qué sirve
Plásmido
ADN circular pequeño de bacterias, que se replica independientemente del cromosoma
Clonar genes en bacterias y levaduras
Virus modificado
Virus al que se le quitaron los genes dañinos y se le puso el gen de interés
Llevar genes a células animales o humanas
Fagémido
Plásmido con secuencias de un fago, que se puede empaquetar en partículas de fago
Clonar y producir ADN de cadena simple, y presentar proteínas en la superficie del fago
Un buen plásmido vector tiene tres cosas: un origen de replicación (para copiarse), un sitio de corte para la enzima de restricción donde insertar el gen, y un marcador de selección, por ejemplo un gen de resistencia a un antibiótico.
Un ejemplo cercano: variedades de soja y maíz transgénicos que se cultivan en Uruguay, con genes de bacterias que les dan resistencia a insectos o a un herbicida. Para obtenerlas se identifica el gen, se lo inserta en un vector, se lo introduce en células de la planta y se regeneran plantas completas a partir de las células que lo incorporaron.
Practica★☆☆Sin empezar
¿Qué es un organismo transgénico? Poné un ejemplo y explicá, en líneas generales, cómo se obtiene.
¿Qué es un organismo transgénico? Poné un ejemplo y explicá, en líneas generales, cómo se obtiene.
Clonación molecular: ligasa, vectores y bacterias transformadas
Antes se obtenía insulina para tratar la diabetes extrayéndola de páncreas de animales, con alto costo y riesgo de alergias. ¿Cómo se logra que una bacteria fabrique una proteína humana de forma inagotable?
Practica★★☆Sin empezar
Ordená los pasos necesarios para clonar un gen humano en bacterias y justificá el orden: introducir el plásmido recombinante en la bacteria, cortar el gen y el plásmido…
Ordená los pasos necesarios para clonar un gen humano en bacterias y justificá 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.
CRISPR-Cas9 permite editar el genoma con gran precisión. Explicá de forma sencilla qué función cumple la guía de ARN y qué función cumple la proteína Cas9 en esta…
CRISPR-Cas9 permite editar el genoma con gran precisión. Explicá de forma sencilla qué función cumple la guía de ARN y qué función cumple la proteína Cas9 en esta técnica.
Después de cortar, copiar y editar genes, queda una pregunta: ¿cómo se estudian todos los genes o todas las proteínas de un organismo a la vez?
Genómica
Proteómica
Qué estudia
Todo el ADN
Todas las proteínas
Pregunta típica
¿Qué genes tiene este organismo?
¿Qué proteínas fabrica ahora esta célula?
Ejemplo de uso
Comparar el genoma de una variedad de soja con otra para encontrar genes de resistencia
Comparar las proteínas de una célula sana y de una tumoral
Se complementan: el genoma es casi el mismo en todas las células de un individuo, pero el proteoma cambia según el tejido y las condiciones. Los datos que producen son enormes, y se analizan con computadoras (bioinformática).
Resumen
¡A practicar! 3 ejercicios de nivel medio en este apartado