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La revolución genéticaEl ADN es la clave de la vida
El ADN es la biomolécula encargada de almacenar la información genética de la célula. Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y forma parte de los cromosomas.
Todos los seres vivos poseen los mismos tipos de moléculas. Sin embargo, algunas de estas moléculas son específicas de cada especie, e incluso de cada organismo, como sucede con las proteínas. Pero, ¿a qué se debe la enorme diversidad molecular de las proteínas?.
Todos los organismos poseen unas moléculas que dirigen y controlan la síntesis de sus proteínas, proporcionando la información que determina su especificidad y sus características biológicas. Estas moléculas, que reciben el nombre de ácidos nucleicos, contienen las instrucciones necesarias para realizar los procesos vitales y son responsables de las funciones básicas de los seres vivos.
Todos los organismos vivientes contienen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), excepto los virus que sólo poseen un tipo, bien ARN o bien ADN.
El ADN es el material genético, portados de los caracteres hereditarios, por lo que debe cumplir dos funciones:
Almacenar la información genética: esto quiere decir que el ADN contiene la información para el crecimiento y desarrollo del organismo, con las características típicas de su especie. Como las proteínas son las biomoléculas específicas, y las características de cada organismo son consecuencia de su contenido proteico, el ADN de un organismo ha de contener las instrucciones precisas para sintetizar unas proteínas determinadas y no otras. Por tanto, el ADN dirige el proceso de síntesis de proteínas.
Transmitir la información genética, es decir, copiarse exactamente en cada generación. Antes de que una célula se divida, su ADN tiene que formar copias exactas de si mismo para que cada célula hija reciba una copia. Este proceso se denomina replicación o duplicación del ADN.
Como los seres vivos se reproducen mediante células (esporas, gametos) y toda célula procede de otra, por división de la misma, gracias a la duplicación del ADN los caracteres hereditarios se transmiten de padres a hijos, generación tras generación.
La función del ARN es expresar la información genética, es decir, ejecutar las órdenes contenidas en el ADN. Por tanto, el ARN es el encargado de sintetizar las proteínas específicas de cada organismo. Además, en algunos virus, es el material hereditario.
El ADN contiene la información, y el ARN la utiliza para sintetizar las proteínas específicas.
Los ácidos nucleicos son biomoléculas formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Se trata de moléculas de gran tamaño por lo que se definen como polímeros constituidos por la unión de unas unidades moleculares (monómeros) hidrolizables, denominados nucleótidos.
Los nucleótidos son las unidades que forman los ácidos nucleicos. Cada nucleótido es una molécula relativamente compleja, compuesta por la unión de tres unidades:
Un monosacárido (una pentosa), que puede ser de dos tipos: Ribosa (β-D-ribofuranosa), que forma parte de los nucleótidos constituyentes del ARN; y desoxirribosa (β-2-desoxi-D-ribofuranosa), que forma parte de los nucleótidos constituyentes del ADN.
Una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son derivadas de dos compuestos heterocíclicos: purina y pirimidina.
o Bases púricas: Adenina (A) y guanina (G).o Bases pirimídicas: Citosina ©, timina (T) y uracilo (U).
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Uno o varios grupos fosfatoUna molécula de base nitrogenada (púrica o pirimídica), se une a una molécula
de pentosa, originando un nucleósido. La unión, denominada enlace N-glucosídico, se establece entre el átomo de nitrógeno del carbomo 1 de la bases pirimídicas o el nitrógeno del carbono 9 de las bases púricas y el grupo OH del carbono 1´de la pentosa.
Base nitrogenada + pentosa = nucleósidoLos nucleótidos son ésteres fosfóricos de nucleósidos en los que el ácido
fosfórico (P) esterifica a uno de los grupos hidroxilo libres de la pentosa. En los nucleótidos que forman los ácidos nucleicos, se trata del grupo –OH situado en el carbono 5´d e la pentosa.
Nucleósido + ácido fosfórico = nucleótidoLa unión de un gran número de
nucleótidos, mediante enlaces covalentes, formando largas cadenas, da lugar a los polinucleótidos o ácidos nucleicos.
El polinucleótido constituido por una larga cadena de desoxirribonucleótidos recibe el nombre de ácido desoxirribonucleico (ADN), mientras que si la cadena está formada por ribonucleótidos, se trata del ácido ribonucleico (ARN)
Los ácidos nucleicos, tanto ADN como ARN, químicamente son polinucleótidos en los que los sucesivos nucleótidos se unen mediante enlaces o puentes fosfodiester que se establecen entre el grupo hidroxílo del fosfato situado en el carbono 5´ de la pentosa de un nucleótido y el grupo hidroxílo del carbono 3´ de la pentosa del otro nucleótido. El enlace se denomina, enlace nucleotídico.
Por tanto, el esqueleto de los polinucleótidos está constituido por grupos alternantes de pentosa y de ácido fosfórico; las bases nitrogenadas representan cadenas laterales unidas a las pentosas del esqueleto.
La doble hélice de ADNEl ADN está formado por macromoléculas lineales formadas por la polimerización
de desoxirribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina (carece de uracilo). Las moléculas de ADN son muy largas pero están formadas por la repetición de tan solo cuatro subunidades básicas, denominadas nucleótidos. Cada uno de los nucleótidos posee una molécula (una base nitrogenada), diferente: A, T, C, G. Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas, en las mitocondrias y cloroplastos.
La secuencia polinucleotídica se dispone en el espacio en forma de una doble hélice, según la estructura propuesta por James Watson y Francis Crack en 1953.
El ADN está constituido por dos cadenas polinucleotídicas unidas entre sí en toda su longitud.
Las dos cadenas son antiparalelas, lo que significa que el extremo 3´ de una de ellas se enfrenta con el extremo 5´ de la otra.
La unión entre las cadenas se realiza por medio de puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de ambas: concretamente, la adenina forma dos enlaces por puentes de hidrógeno con la timina y la guanina tres con la citosina. Las dos cadenas no son idénticas, sino complementarias, ya que una de ellas tiene la secuencia de bases complementaria de la otra.
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Las dos cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice alrededor de un eje imaginario.
Las bases nitrogenadas quedan en el interior de la doble hélice, mientras que los esqueletos pentosa-fosfato se sitúan en la parte externa. De esta forma, las cargas negativas de los grupos fosfato se unen a las cargas positivas de cationes o de otras moléculas presentes en el medio, estabilizando la estructura.
Los planos de las bases nitrogenadas enfrentadas son paralelas entre sí y perpendiculares al eje de la hélice.
El enrollamiento de la doble hélice es plectonémico, es decir, las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas.
La doble hélice es dextrógira: el enrollamiento gira en el sentido de las agujas del reloj.
La anchura de la doble hélice es de 2 nm, mientras que la longitud de cada vuelta es de 3,4 nm y cada 0,34 nm se encuentra un par de bases complementarias. Puede deducirse, por tanto, que existen 10 pares de nucleótidos por cada vuelta.
¿Cómo se codifica la información genética del ADN?: la única diferencia entre moléculas de ADN de distintos individuos es el orden en que se disponen sus nucleótidos (bases nitrogenadas); lo que se denomina secuencia. Las bases son como las letras con las que se escribe un texto que contiene las claves de cada ser vivo; el texto es diferente para cada organismo, aunque el idioma utilizado sea el mismo.
El ARNEstá constituido por nucleótidos de ribosa, con las bases adenina, guanina,
citosina y uracilo. No tiene, pues, timina como el ADN. El ARN es casi siempre monocatenario, excepto en los reovirus que es bicatenario.
En los monocatenarios, algunas zonas de su molécula, denominadas horquillas, pueden presentar estructura de doble hélice como resultado de la formación de enlaces de hidrógeno entre bases complementarias. Cuando las zonas complementarias están separadas por regiones no complementarias, se forman bucles.
Las cadenas de ARN son más cortas que las del ADN y pueden aparecer tanto en el núcleo como en el citoplasma de la célula.
Hay varios tipos de ARN: ARNt (transferente): transporta los aminoácidos específicos hasta los
ribosomas y los coloca donde le indica el ARNm (mensajero) ARNm (mensajero): su función es transmitir la información contenida en el ADN
y llevarla hasta los ribosomas, para que en ellos se sinteticen las proteínas a partir de los aminoácidos que aportan los ARNt. Es una copia del mensaje genético del ADN.
ARNr (ribosómico): está asociado con proteínas ribosómicas, formando los ribosomas, orgánulos donde se unen los aminoácidos para formar las cadenas proteicas.
Duplicación del ADNEl ADN portador de la información genética debe transmitirse fielmente a cada
una de las células hijas obtenidas tras la división celular. Por tanto, antes de producirse esta, es imprescindible que el ADN puede formar réplicas exactas de si mismo para disponer de dos copias iguales. Este proceso conocido como replicación o autoduplicación, resulta fundamental para asegurar que todas las células de un organismo pluricelular mantienen la misma identidad.
El mecanismo general de la replicación fue intuido por Watson y Crick cuando establecieron la estructura de doble hélice y la complementariedad de las bases. Propusieron que la doble hélice del ADN se abre y las dos cadenas de nucleótidos se separan; a partir de cada una de las dos cadenas se forma una nueva, que es complementaria de la que le ha servido como patrón.
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La duplicación tiene lugar en el núcleo durante la interfase y se lleva a cabo de la siguiente forma: La doble hélice de ADN se abre y las dos cadenas se separan. Cada cadena servirá
de molde para la síntesis de una complementaria. Los nucleótidos libres de que dispone la célula en el núcleo pueden unirse a los
nucleótidos del ADN, a través de sus bases complementarias. A un nucleótido de Adenina sólo se unirá uno de timina y a un nucleótido de citosina sólo se podrá unir uno de guanina, y viceversa.
Los nuevos nucleótidos incorporados se unen entre sí y dan lugar a las nuevas cadenas de ADN.Este proceso da como resultado la formación de dos moléculas hijas de ADN
idénticas, cada una de las cuales posee una de las cadenas originales de la molécula madre y una cadena complementaria recién sintetizada. Esta es la razón por la que se dice que la replicación del ADN es semiconservativa.
Ejecución del mensaje genéticoLa información genética que define las características de cada individuo reside
en la secuencia de bases de su ADN. Esta información genética es la que determina qué proteínas deben producir las células de cada individuo.
Un gen es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína. El gen es una unidad de transcripción.
Queda claro que la expresión del mensaje genético, es decir, la ejecución de las órdenes contenidas en la molécula de ADN, consiste en la síntesis de proteínas específicas. Sin embargo, dado que la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas (situados en el citoplasma) y que el ADN se encuentra en el núcleo, del que no sale, se hace necesaria la existencia de alguna molécula que actúe como intermediario entre el ADN y los ribosomas. Este papel de intermediario lo realiza un tipo de ARN, el ARN mensajero (ARNm). El proceso de formación del ARN se denomina transcripción.
Con la información contenida en la molécula de ARNm se puede sintetizar una cadena polipeptídica en un proceso denominado traducción que ocurre en los ribosomas. En este proceso intervienen otros tipos de ARN, el ARN ribosómico (ARNr), componente fundamental de los ribosomas, y el ARN de transferencia (ARNt), que transporta los aminoácidos hasta los ribosomas.
Las proteínas son también polímeros, están formadas por la unión de otras moléculas menores denominadas aminoácidos. Existen 20 aminoácidos distintos, con los que se forman todas las proteínas. Las diferencias entre unas proteínas y otras radican en el número y en el orden en que se unen los aminoácidos que las constituyen.
En 1970 Francis Crick enuncia el dogma central de la Biología molecular :
El ADN forma una copia de parte de su mensaje sintetizando una molécula de ARN mensajero (proceso denominado transcripción)(se realiza en el núcleo), la cual constituye la información utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína (proceso de traducción).
Transcripción traducción
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ADN ARNm proteínasTodo este trasvase de información se produce gracias a la naturaleza química de
los ácidos nucleicos. Debido a la complementariedad de las bases nitrogenadas, el ADN se puede replicar y transcribir a ARNm, que se va a traducir por medio del ARNt y ARNr, también gracias a la complementariedad de las bases.
TranscripciónLos ribosomas, que se encuentran en el citoplasma, realizan la síntesis de
proteínas. Sin embargo, el ADN, que contienen la información, se encuentra en el núcleo de la célula y no puede salir de él.
El ADN tiene que copiar parte de su mensaje genético (gen) en otra molécula: el ARNm, que sale del núcleo y lleva la información al citoplasma.
La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una secuencia de ARN, ya sea ARNm, ARNr o ARNt. Ocurre en el interior del núcleo.
Se abre la doble hélice de ADN, de tal manera que una de las cadenas servirá de molde para que una enzima llamada ARN polimerasa sintetice a partir de nucleótidos libres existentes en el núcleo una cadena complementaria a la que sirvió de molde.
El código genéticoSe denomina código genético a la relación entre la secuencia de bases
nitrogenadas del ARNm y la secuencia de los aminoácidos que constituyen una proteína.
El código genético es un código de tres letras. Las letras son los nucleótidos que forman el ARNm.
Cada grupo de tres nucleótidos del ARNm, denominado triplete o codón, es la clave para un determinado aminoácido de la proteína.
El código genético es la clave que permite la traducción del mensaje genético a su forma funcional, las proteínas. Como sólo hay cuatro bases nitrogenadas distintas, las señales codificadoras para los 20 aminoácidos proteicos deben estar constituidas por más de una base. Si la señal estuviera formada por dos bases nitrogenadas, sólo codificarían 42 = 16 aminoácidos, por lo que aún quedarían aminoácidos sin codificar. Por tanto, cada señal que codifica para un aminoácido está constituida por tras bases distintas (un triplete), es decir, 43 = 64 tripletes de bases distintas.
Los tripletes de bases del ARNm reciben el nombre de codones. Los tripletes del ADN correspondientes, que han sido transcritos, se denominan codógenos. Existen 61 codones codificadores de aminoácidos y 3 (UAA, UAG y UGA, llamados sin sentido) que señalan el final del mensaje y no especifican ningún aminoácido. Hay también un codón (AUG) que, además de codificar para el aminoácido metionina, es la señal de comienzo.
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En la década de 1950 se emprendió la tarea de descifrar el código genético, es decir, de identificar la señal concreta en el ARNm para la introducción de cada aminoácido en la cadena proteica en formación. Severo Ochoa descubrió en 1955 la enzima polinucleótido fosforilasa, capaz de sintetizar ARN a partir de nucleótidos difosfato sin necesidad de un molde de ADN. Esto permitió sintetizar cadenas conocidas de ARN constituidas por un único tipo de nucleótido o por varios.
A raíz de sus trabajos con esa enzima en Escherichia coli, M. Nirenberg y H. Matthaei dedujeron en 1961 que el triplete de sus bases UUU codificaba para el aminoácido fenil-alanina, el CCC para la prolina y el AAA para lisina. Posteriormente se descifró el resto de los tripletes.
El código genético tiene las siguientes características: Está formado por una secuencia
lineal de bases nitrogenadas. Carece de solapamiento. Los
tripletes de bases se hallan dispuestos de manera lineal y continua, sin que entre ellos existan espacios ni separaciones de ningún tipo, y sin que compartan ninguna base nitrogenada. Su lectura se hace en un solo sentido (5´ 3´), desde el codón que indica el comienzo de la proteína hasta el que indica su final. Sin embargo, existe la posibilidad de que un mismo ARNm contenga varios codones de iniciación. Esto significa que se podrían realizar varias fases de lectura y se sintetizaría más de un polipéptido.
Es universal. Es el mismo código para todas las células de todas las especies. Sin embargo, se han detectado excepciones a la universalidad del código en el material genético de mitocondrias, en algunos protistas ciliados y en micoplasmas.
Es degenerado. El código está degenerado en el sentido matemático del término. Esto significa que no existe el mismo número de señales codificadoras en el ARN que aminoácidos van a ser codificados. Salvo el triptófano y la metionina, que están codificados por un único codón, los demás aminoácidos están codificados por más de un triplete. Generalmente, solo se diferencian en la última base. La existencia de codones distintos que codifican el mismo aminoácido, se puede considerar que proporciona cierta ventaja, puesto que si se produce un cambio no deseado en una base nitrogenada es posible que el codón alterado siga codificando para el mismo aminoácido.
No presenta imperfecciones. Ningún codón codifica más de un aminoácido.
Traducción
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Ingeniería genéticaLa ingeniería genética es una técnica que consiste en la introducción de genes
en el genoma de un individuo que carece de ellos (técnicas que permiten manipular el material genético, es decir, cortar el ADN, hacer copias de los fragmentos, pegarlos y transportarlos de una célula a otra). Se realiza a través de las enzimas de restricción, que son capaces de cortar el ADN en puntos concretos y así separar los segmentos que interesan.
Las enzimas de restricción (endonucleasa de restricción) son enzimas descubiertas en bacterias que cortan el ADN en lugares específicos. Hay varias enzimas de restricción y cada una de ellas corta el ADN por una secuencia diferente.
El objetivo fundamental es la transferencia de genes de unos organismos a otros distintos. Se denominan organismos transgénicos a los organismos a los que se le introducen genes distintos de sus genes originales.
La ingeniería genética nació a comienzos de 1970 y supuso un paso decisivo en la revolución genética.
La ingeniería genética incluye un conjunto de técnicas biotecnológicas, entre las que destacan:
la tecnología del ADN recombinante: con la que es posible aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro.
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La secuenciación del ADN: Técnica que permite saber el orden o secuencia de los nucleótidos que forman parte de un gen.
la reacción en cadena de la polimerasa (PCR): con la que se consigue aumentar el número de copias de un fragmento determinado de ADN, por lo tanto, con una mínima cantidad de muestra de ADN, se puede conseguir toda la que se necesite para un determinado estudio.
las aplicaciones de la ingeniería genética: Son numerosas las aplicaciones prácticas y comerciales de la ingeniería genética.
Enzimas: Las enzimas son biocatalizadores, es decir, moléculas que aceleran las transformaciones químicas que suceden en las células. Para ello, se unen a la sustancia que se va a transformar y actúan sobre ella facilitando el proceso. Todas las reacciones químicas que suceden en las células están catalizadas por enzimas, pero en cada caso la enzima que actúa es diferente: por ejemplo:
o La enzima ADN polimerasa acelera el proceso de formación de ADN (una gran molécula), a partir de moléculas pequeñas, los nucleótidos. La enzima se prende a los nucleótidos facilitando su unión.
o Las enzimas de restricción cortan el ADN en fragmentos por lugares precisos.
Técnicas de manipulación del ADNSecuenciación del ADN: Técnicas para conocer la secuencia de nucleótidos del ADN. Cuando se conoce la secuencia de bases de un gen se pueden identificar las regiones que son secuencias codificadoras de proteínas, y las regiones que corresponden a secuencias reguladoras de la expresión del gen. Conociendo la secuencia codificadora del gen se puede deducir la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada.Formación de moléculas de ADN recombinante : Se denomina ADN recombinante a las moléculas de ADN que resultan de la unión de un gen elegido y un vector adecuado para su transporte. Intercalar un segmento de ADN extraño en un ADN receptor. Se realiza en tres etapas:1.- Corte de fragmentos de ADN: Corte específico del ADN en fragmentos pequeños y manejables mediante la utilización de un tipo de enzimas conocidas como enzimas de restricción que pueden considerarse como las tijeras biológicas.
Las endonucleasas de restricción son unas enzimas bacterianas cuya finalidad es destruir el ADN procedente de bacteriófagos, y que tienen la propiedad de cortar el ADN sólo en ciertas secuencias de nucleótidos. Las diferentes especies de bacterias tienen diversas endonucleasas de restricción, y cada una de ellas corta el ADN por una secuencia distinta.
o Cada enzima de restricción reconoce una secuencia específica de nucleótidos y corta en ese punto cada una de las cadenas de ADN.
o Los extremos libres que quedan se llaman extremos pegajosos, porque pueden unirse a otros fragmentos de ADN que hayan sido cortados por la misma enzima de restricción.
Las secuencias de reconocimiento para cortar el ADN son secuencias cortas de nucleótidos, frecuentemente palindrómicas (secuencias iguales en ambas hebras y que presentan simetría según la complementariedad de las bases).
Algunas endonucleasas cortan las dos cadenas hebras en el mismo
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lugar, originando extremos romos. Otras cortan las dos cadenas en lugares diferentes, originando extremos cohesivos o “pegajosos”.2.- Separación de los dos fragmentos de ADN: Cuando se ha cortado una molécula de ADN con enzimas de restricción se originan fragmentos de diferentes tamaños. Para separarlos se utiliza una técnica, la electroforesis en gel.
En el proceso de la electroforesis se prepara una mezcla de fragmentos de ADN y se ponen en distintas soluciones. Los fragmentos se desplazan en relación inversa con su tamaño, los fragmentos más pequeños se mueven rápidamente, mientras que los grandes lo hacen muy lentamente.3.- Unión al vector: Una vez obtenidos los fragmentos de ADN hay que unirlos a otras moléculas de ADN transportadoras, que se llaman vectores.
Esta inserción se realiza en vectores de clonado, que son los agentes transportadores capaces de introducirlos en las células hospedadoras. Los vectores de clonación son pequeñas moléculas de ADN, que tienen capacidad para autorreplicarse dentro de las células hospedadoras
Frecuentemente, estos vectores son plásmidos bacterianos, o genomas víricos de ADN, aunque también pueden ser moléculas de ADN sintetizadas artificialmente, cortados con la misma enzima de restricción.
La unión del gen aislado al vector se hace mediante la enzima ADN ligasa.
Reacción en cadena de la polimerasaEs una técnica que permite duplicar un número ilimitado de veces un fragmento
de ADN en un tubo de ensayo. Mediante esta técnica pueden generarse millones de moléculas idénticas, a partir de una molécula de ADN. Esto se puede conseguir en unas horas.
Las enzimas ADN polimerasa duplican el ADN copiando las dos cadenas de la doble hélice. Debido a la acción de estas enzimas, a partir de una molécula de ADN bicatenario se obtienen dos moléculas de ADN bicatenario exactamente iguales.
Para que estas enzimas lleven a cabo su función correctamente debe existir: Una cadena molde de ADN, que es una de las dos hebras de la doble hélice. Una mezcla de desoxiribonucleótidos trifosfato. Un cebador, que es un pequeño fragmento de ADN monocatenario, cuya
secuencia de bases es complementaria de uno de los extremos de la cadena molde.
Una fuente de calor.En 1985, Kary Mullis desarrolló la técnica llamada reacción en cadena de la
polimerasa, conocida también como PCR, que, a partir de la capacidad de la ADN polimerasa para replicar el ADN, permite obtener en el laboratorio múltiples copias de un fragmento determinado de ADN.
La reacción en cadena de la polimerasa se lleva a cabo de la siguiente forma. La molécula o fragmento de ADN que se desea replicar se desnaturaliza para separar las
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dos hebras de la doble hélice. Para ello se somete el ADN a temperaturas elevadas. Cada una de las dos hebras sirve como molde para sintetizar otra cadena complementaria. A fin de que la ADN polimerasa pueda actuar copiando cada una de las dos cadenas complementarias, son necesarios unos cebadores adecuados. En la mezcla de reacción debe existir, así mismo, una concentración suficiente de nucleótidos trifosfato, que componen las piezas de construcción de las cadenas que se van a sintetizar.
El proceso que se acaba de describir constituye un ciclo de síntesis. Si se repitiera el proceso íntegramente, se partiría de cuatro hebras molde y se obtendrían cuatro moléculas bicatenarias. Si se realiza un nuevo ciclo, se partiría de ocho hebras molde que, a su vez, darían ocho moléculas bicatenarias. En el siguiente ciclo, los moldes serían 16. Se trata, por tanto, de un proceso exponencial, en el que se llevan a cabo tantos ciclos como sea necesario para obtener el número de copias deseado. Tras 20 ciclos de síntesis se puede obtener del orden de un millón de copias de una molécula de ADN. Se utiliza la ADN polimerasa de una bacteria que vive en aguas termales (Thermus aquáticus), así la enzima puede trabajar a altas temperaturas.
Aplicaciones de la PCR:La finalidad de la PCR consiste en la amplificación del ADN, es decir, en la
obtención de múltiples copias de un fragmento específico de ADN a partir de un número muy pequeño de moléculas.
Clonación de genes. La PCR ha resultado útil en la clonación de genes, ya que permite obtener un gran número de copias del gen antes de la clonación propiamente dicha. Gracias a esta técnica también es posible amplificar genes mutados artificialmente para su posterior clonación.
Estudios evolutivos. Mediante la PCR se pueden amplificar genes de organismos ya extinguidos a partir de cantidades muy pequeñas de ADN presentes en algunos fósiles, para compararlos posteriormente con genes semejantes de organismos actuales y estudiar la conservación de ciertos genes a lo largo de la evolución y reconstruir árboles filogenéticos.
Estudios históricos y arqueológicos. Se han podido conocer datos referentes a enfermedades de origen genético amplificando ADN de muestras de individuos momificados, pertenecientes a civilizaciones antiguas.
Huellas dactilares del ADN. Es posible comparar muestras diferentes de ADN para comprobar si pertenecen al mismo individuo o no, o si existe parentesco entre ellas. Esta técnica se aplica actualmente en medicina forense e investigaciones policiales, con el fin de identificar individuos a partir de muestras biológicas, como sangre, semen, piel o cabellos. También se utiliza en pruebas de paternidad.
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Secuenciación: Mediante la PCR se pueden formar la suficiente cantidad de ADN molde para su secuenciación. Es mucho más sencillo y rápido que la clonación en células.
Los organismos transgénicosLa ingeniería genética permite modificar el genoma de una planta, de una animal
o de un microorganismo convirtiéndolo en un “organismo modificado genéticamente”, un OMG. Los organismos que han sido modificados por ingeniería genética se denominan organismos transgénicos.
Genes manipulados pueden ser introducidos en animales y plantas para así modificar alguna de sus características. Por ejemplo, para acelerar su crecimiento, para mejorar la calidad de sus productos (carne, leche, etc), para hacerlos resistentes a enfermedades, insecticidas o herbicidas y a enfermedades microbianas.
Plantas transgénicas. Mediante la ingeniería genética han podido modificarse las características de gran cantidad de plantas para hacerlas más útiles al hombre, son las llamadas plantas transgénicas. Las primeras plantas obtenidas mediante estas técnicas fueron un tipo de tomates, en los que sus frutos tardan en madurar algunas semanas después de haber sido cosechados.En España se cultiva desde el año 1998 una variedad de maíz transgénico (maíz Bt) resistente al ataque de los taladros, larvas de mariposa que destruyen las plantas de maíz al perforar sus tallos.Al genoma de este maíz se ha incorporado un gen procedente de una bacteria (Bacillus thuringiensis) capaz de fabricar una sustancia venenosa para los taladros. Las larvas que atacan a las plantas transgénicas de maíz mueren intoxicadas.Maíz y soja transgénica para la producción de anticuerpos monoclonales.
Animales transgénicos. El primer organismo transgénico fue un superratón con un peso el doble del normal, se obtuvo el 1982 al introducirle el gen de la hormona de crecimiento de la rata en un óvulo fecundado de ratón (la rata no es la hembra del ratón, son dos especies distintas).En 2001 se patentó el primer animal para consumo humano, un salmón que tiene la facultad de crecer entre seis y ocho veces más en el mismo tiempo que uno normal (aún no está aprobada su comercialización). En el genoma de estos salmones gigantes se han introducido dos genes: uno procedente del pez plano del Ártico, que no interrumpe el crecimiento durante el invierno y el otro es una modificación de un gen del mismo salmón que no interrumpe la creación de la hormona de crecimiento del propio pez cuando llega su madurez.Ovejas transgénicas que llevan incorporado el gen que codifica para un factor de coagulación sanguínea humano. Esta proteína se excreta en la leche de la oveja, lo que facilita su aislamiento y purificación posterior
MGM (microorganismos). Uno de los primeros resultados de la ingeniería genética fue introducir el gen de una proteína humana, la insulina, en el ADN de una bacteria y conseguir que esa bacteria fabricara insulina. En 1982 se aprobó el uso para humanos de insulina “humana” fabricada por ingeniería genética. Hasta la fecha los diabéticos dependían para su tratamiento de insulina obtenida de cerdos o de vacas que puede ocasionar reacciones adversas, además, el proceso de producción era más lento y caro.
¿Cómo se obtiene un organismo transgénico?La obtención de un organismo transgénico sigue un procedimiento básico que se
puede dividir en dos etapas. En la primera etapa, o de transformación, hay que introducir el gen deseado en
el genoma de una célula del organismo que se desea modificar. Por ejemplo, el gen bacteriano para el veneno contra el taladro en una célula de maíz; o el gen de la insulina humana en una bacteria.
1. Aislamiento y obtención del gen. Se extrae el ADN de la célula en la que se encuentra el gen que interesa transferir. Se localiza el gen y se extrae, cortando
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por lugares precisos, el fragmento de ADN que lo contiene (se utilizan las enzimas de restricción adecuadas). Separamos los fragmentos de ADN cortados.
2. Se clona el gen deseado (se hacen copias), ya que es imposible trabajar con una sola copia. Se utiliza la técnica de la PCR.
3. Formación del ADN recombinante. Primero tenemos que seleccionar un vector de clonación adecuado (moléculas de ADN, generalmente circulares, que tienen capacidad d para autorreplicarse dentro de la célula hospedadora), que nos transporte el gen seleccionado al interior de la célula hospedadora. Frecuentemente los vectores de clonación son plásmidos bacterianos, genomas víricos o moléculas de ADN sintetizadas artificialmente. Unimos el gen al vector de clonación mediante una enzima (ADN-ligasa) formando el ADN recombinante. Tanto el gen como el vector tienen que ser cortados por las mismas enzimas de restricción.
4. Se introduce el ADN recombinante o transgén en el núcleo de la célula que se desea modificar. La introducción se realiza de diferentes formas: Si la célula hospedadora es procariota: por transformación o por transducción. Transformación. Este procedimiento se utiliza en células procariotas debido a que muchas de ellas lo hacen de forma natural. La célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el medio externo, las introduce en su interior y las incorpora a su genoma mediante recombinación. Los plásmidos bacterianos pueden penetrar dentro de otras bacterias, especialmente si sus membranas se hacen permeables al ADN, mediante la adicción de cloruro cálcico. Las bacterias receptoras adquieren así las propiedades de los genes contenidos en el plásmido. Transducción. Este método consiste en introducir el ADN en la célula hospedadora utilizando como vector de clonación el genoma de un virus bacteriófago. Los fagos lisogénicos pueden insertar su genoma en el cromosoma de las bacterias sin que se produzca la muerte celular; por esta razón, se utilizan como vectores de clonación. Sin embargo, se deberá modificar el genoma vírico para que se exprese el gen que se desea clonar sin inducir el ciclo lítico que implica la muerte de la célula.Si la célula hospedadora es eucariota: microinyección (mediante un capilar de diámetro muy pequeño se inyecta directamente el ADN en las células animales), por electroporación (se someten a impulsos eléctricos de alto voltaje, células que se encuentran en una solución de ADN, que contiene el gen a clonar. Los impulsos eléctricos alteran la membrana de las células haciéndolas permeables al ADN), Pistola de genes (herramienta que dispara microproyectiles revestidos de ADN al interior de las células), liposomas que contienen el ADN (son vesículas formadas por una bicapa lipídica, que contienen en el interior una solución acuosa con el ADN que se quiere clonar. Los liposomas se fusionan con la membrana de la célula hospedadora).
5. Se comprueba que ha incorporado el ADN recombinante o transgén y es capaz de expresar la información fabricando el producto codificado por el gen. Se suele incorporar un gen que confiera a la célula resistencia a un antibiótico, un gen marcador. Así al colocar las células (procariotas) en contacto con ese antibiótico sólo sobreviven las transformadas.
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En la segunda etapa, o de regeneración, hay que obtener una planta o un animal a partir de la célula cuyo genoma se ha modificado. Esta segunda etapa requiere, en la práctica, la utilización de técnicas de clonación de organismos. Además, conseguir un organismo transgénico supone un gran coste económico y la única manera de rentabilizarlo es producir el mayor número posible de copias idénticas, es decir, clonarlo.
Los alimentos transgénicos:Se denomina alimentos transgénicos, o simplemente “transgénicos”, a los
alimentos obtenidos a partir de, o con la participación de OMG. Los alimentos transgénicos que se comercializan proceden fundamentalmente de cultivos vegetales como la soja, el maíz, el algodón o la colza. En España solo se cultiva maíz Bt, para alimentar al ganado.
Los alimentos transgénicos forman parte de la comida que se ofrece en los comercios aunque pueden pasar desapercibidos. En abril se 2004 entró en vigor la nueva normativa europea que obliga a indicar en el envase los productos que contienen OMG o han sido elaborados a partir de ellos, incluso cuando se trate de un minimo ingrediente. Esta información será necesaria si se trata de:
o Un alimento transgénico, como maíz modificado geneticamente.o Un producto que contenga OMG, como una ensalada que contenga maíz
transgénico o brotes de soja transgénica.o Un alimento producido a partir de transgénicos, como aceite de maíz procedente
de mai´z transgénico o chocolate con lecitina de soja procedente de soja transgénica.
Se contemplan también excepciones:o Alimentos que contengan solo un 0,9% de transgénicos.o Productos de segunda o tercera generación, es decir, alimentos de origen animal
(leche, carne, huevos,…) procedentes de animales alimentados con comida transgénica.
o Alimentos que empleen microorganismos transgénicos para su fermentación. En este caso no se tiene que indicar, siempre y cuando el OMG no esté presente en el producto final, como por ejemplo el queso con un cuajo (enzima que coagula la leche) modificado genéticamente. Sin embargo, si el microorganismo sí está en el alimento (como las bacterias de un yogur) tendrá que especificarse.
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El proyecto genoma humanoA finales de los años 80 se propuso el objetivo internacional de conocer la
secuencia de nucleótidos (3 x 109 pares de nucleótidos) de los genes del ser humano que están contenidos en los 23 pares de cromosomas. En 1990 se inició el Proyecto Genoma Humano.
Los objetivos del proyecto son: Elaborar un “mapa genético” para determinar en qué cromosomas y en
qué lugar de los mismos se encuentran cada uno de los genes humanos.
Determinar la secuencia exacta de nucleótidos de cada gen para conocer la proteína que codifica y sus posibles alteraciones. (3.200 millones de pares de bases)
Acumular la información en bases de datos. Desarrollar de modo rápido y eficiente tecnologías de secuenciación. Desarrollar herramientas para análisis de datos. Dirigir las cuestiones éticas, legales y sociales que se deriven del proyecto.El 14 de abril de 2003,el PGH anunció la secuenciación completa del genoma
humano. La secuencia terminada incluye el 99% de sus nucleótidos. Obtener la secuencia de un ser humano no sirve aún para conocer cuál es la
misión que desempeñan los genes, simplemente identifica los “nucleótidos” que conforman la espiral del ADN.
Ahora se ha logrado la secuencia, el siguiente paso será interpretar el genoma, es decir, saber qué función tiene cada gen y cómo se interrelacionan entre ellos y cuál es su relación y en qué medida con las enfermedades.El genoma humano:
El genoma humano contiene unos 3.200 millones de pares de bases. Contiene, sorprendentemente, menos de 30.000 genes. Esta cifra de genes es
sólo dos o tres veces mayor que el encontrado en el genoma de Drosophila, la mosca de la fruta y que tenemos genes comunes con bacterias y que no han sido encontrados en nuestros ancestros. De un 40% de los genes identificados se desconoce su función.
Menos del 5% de la secuencia contiene genes portadores de instrucciones para hacer proteínas. Un porcentaje muy alto está formado por el denominado “ADN basura”, del que no se conoce con exactitud su función.
Más del 90% de la secuencia es exacta en un 99,99% (entre una persona y otra el ADN difiere sólo en un 0,1%).
Los genes humanos son pocos y se encuentran alejados entre sí. Además, se encuentran muy fragmentados. La fragmentación de los genes humanos hace posible que se construyan muchas proteínas distintas a partir de los mismos genes, mediante la combinación de las instrucciones de formas diversas. Según parece, como mínimo el 35% de todos los genes humanos pueden leerse de muchas formas. De esta manera, el genoma humano podría codificar cinco veces más proteínas que los genomas menos flexibles de la mosca del vinagre o del gusano.Analizado el genoma de unos pocos centenares de personas, los científicos han
creado un catálogo bastante completo de la variación genética entre unos individuos y otros. En estas variaciones radica la clave de las diferencias hereditarias entre personas, incluyendo sus distintas propensiones a una u otra enfermedad.
Casi toda la variabilidad genética humana se basa en las mínimas alteraciones concebibles: las diferencias en una sola letra (nucleótido) en el ADN. Estas alteraciones en un solo nucleótido se denominan snips. Se han detectado 1,42 millones de snips. Las diferencias entre una persona y otra se deben a la combinación particular de snips tomados de ese conjunto básico de 1,4 millones.
Como el 95% del genoma es basura, la gran mayoría de esos snips están en el vasto desierto del ADN sin sentido. Pero, aún así, hay 60.000 snips que caen dentro de los genes.
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Aplicaciones futuras: La información contenida en los genes ha sido descodificada y permite a la ciencia conocer mediante tets genéticos, qué enfermedades podrá sufrir una persona en su vida. El ADN encierra las claves para combatir una gran parte de las enfermedades, como el cáncer, la diabetes, la obesidad, los trastornos del sistema inmunológico y las degeneraciones nerviosas y cerebrales. Se podrán tratar enfermedades hasta ahora incurables.Diagnóstico precoz: Permitirán predecir qué personas son propensas a padecer determinadas enfermedades, por lo que se podrá avanzar en su diagnóstico y en su posterior tratamiento.Cáncer: La formación de un tumor se debe a una compleja acumulación de mutaciones en una sola célula de una persona, que provocan que la célula escape de control y prolifere indebidamente. Algunas de estas mutaciones ocurren durante la vida del individuo, causadas por agresiones externas como el humo del tabaco o la radiación ultravioleta de la luz solar. Otras mutaciones las lleva puestas cada individuo de nacimiento, lo que explica que algunas personas sean más susceptibles de desarrollar uno u otro tipo de cáncer. Conocer la combinación exacta de mutaciones en un tumor concreto de un paciente concreto (una combinación que determina estrictamente el comportamiento del tumor y permite predecir si va a responder aun fármaco o a otro) será pronto la herramienta básica para predecir el tratamiento óptimo de ese tumor.Enfermedades simples: De los 30.000 genes humanos, hay 1.100 cuyas variaciones (snips) se asocian a unas 1.500 enfermedades (algunos genes pueden mutar de varias formas para dar lugar a enfermedades clínicamente distintas).Enfermedades complejas: La propensión genética a las enfermedades más comunes, sin embargo, no se debe a la alteración de un solo gen, sino a decenas o cientos de genes simultáneamente.Fármacos a medida: Cada persona responde de forma muy distinta a cada fármaco. El análisis del genoma de cada persona permitirá predecir a qué fármacos va a sufrir reacciones peligrosas, o a cuál va a responder de manera óptima. El estudio del genoma, permitirá desarrollar medicamentos que modifiquen las funciones incorrectas de las proteínas, la verdadera causa de las enfermedades. También será posible elaborar medicamentos a la carta, específicos para cada persona.Envejecimiento: la manipulación de los genes responsables del envejecimiento aumentará la esperanza media de vida en cien años o más.Mapas individuales: En un plazo aproximado de veinte años, cada persona podrá tener su mapa genético individualizado, de tal modo que sabrá cuáles son sus puntos débiles constitucionales y su propensión a padecer enfermedades.
Se podrá informar a una persona, que puede comer alimentos grasos porque carece de predisposición genética a la obesidad y a enfermedades cardíacas, pero que debe huir del alcohol porque es genéticamente propenso al alcoholismo.En identificación forense, para identificar victimas de catástrofes, paternidad y otras relaciones familiares, identificar y proteger especies en peligro, detectar bacterias que pueden polucionar agua, aire, alimentos, determinar compatibilidad de órganos donantes en programas de transplante.En agricultura, ganadería y bioprocesamientos, se utiliza para mejorar la resistencia de cultivos ante insectos, sequias, para hacerlos más productivos y saludables, para producir animales más saludables y nutritivos, elaborar biopesticidas, vacunas comestibles y nueva limpieza del medio ambiente de plantas como tabaco.
Pero el conocimiento del código de un genoma abre las puertas para nuevos conflictos ético-morales, por ejemplo, seleccionar que bebes van a nacer, o clonar seres por su perfección. Esto atentaría contra la diversidad biológica. Quienes tengan desventaja genética quedarían excluidos de los trabajos, compañías de seguro, seguro social, etc.
Otro problema ético que se ha generado a partir del PGH, es el patentamiento de genes y secuencias génicas por parte de compañías biotecnológicas, universidades y gobiernos.
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Aplicaciones de la ingeniería genética (Biotecnología)
La utilización de los seres vivos o de sus productos con fines comerciales y/o industriales recibe el nombre de biotecnología. La biotecnología moderna utiliza de manera generalizada los OMG.
Aplicaciones biosanitarias:Las aplicaciones de la ingeniería genética en biomedicina: fabricación de
productos farmacéuticos (proteínas humanas), la terapia génica, la producción de vacunas y la utilización biosanitaria de animales transgénicos (en la investigación biomédica, ya que se pueden utilizar como modelos vivos de enfermedades humanas, lo cual permite, por ejemplo, comprobar la eficacia de nuevos medicamentos o vacunas).
Fabricación de proteínas humanas: Uno de los éxitos de la ingeniería genética es la producción de moléculas que no se podían obtener por otros métodos o que eran demasiado costosos.
Fabricación: algunas hormonas (insulina, hormona de crecimiento), interferón y proteínas de la sangre (factores de coagulación) tienen un interés médico y comercial.
Antes de la era biotecnológica estas proteínas se obtenían mediante su extracción directa a partir de tejidos o fluidos corporales. En la actualidad, gracias a la tecnología del ADN recombinante, se clonan los genes de ciertas proteínas humanas en microorganismos adecuados para su fabricación comercial.
El interferón es una proteína antivírica producida y liberada por células infectadas por un virus y que impiden que la infección se propague. El interferón es producido por las células humanas en muy pequeña cantidad, por lo que es muy difícil de extraer en cantidades abundantes para el tratamiento de muchos enfermos. En los años ochenta se logró introducir el gen que codifica esta proteína en una bacteria y, una vez clonada, se pudo producir interferón en grandes cantidades.
En la actualidad, a los diabéticos se le suministra insulina humana obtenida de cultivos de bacterias que contienen el correspondiente gen humano. Con anterioridad, se le proporcionaba la hormona procedente de animales (vacas o cerdos). Sin embargo, la insulina generada por estes animales no era exactamente idéntica a la humana y había enfermos que no la toleraban. Por otro lado, el proceso de obtención era caro y la cantidad de insulina disponible era limitada.
La insulina es la molécula encargada de regular el nivel de glucosa en la sangre. Tiene dos cadenas de aminoácidos: el péptido A y el péptido B. Una vez aisladas las dos secuencias se introducen por separado, mediante plásmidos, en dos estirpes diferentes de bacterias, detrás del operón Lac. Éstas proporcionaron en muy poco tiempo muchas bacterias portadoras de esos genes. Al añadir lactosa al medio, estas bacterias empiezan a sintetizar péptidos A o B, respectivamente. Luego se retiran, se purifican y se activan los grupos –SH para que se unan los dos péptidos y se forme la insulina humana madura. Como el metabolismo bacteriano es muy elevado, esta vía de obtención resulta muy rentable. Además, se trata de insulina humana en lugar de porcina.
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Se obtiene a partir de la levadura Sacharomyces cerevisiae, en la cual se clona el gen de la insulina humana.
Obtención de vacunas: En el sistema tradicional de obtención de vacunas, los microorganismos patógenos se debilitan o inactivan antes de inocularlos en personas o animales. Este sistema, sin embargo, comporta siempre un riesgo potencial para el individuo inoculado en caso de no conseguirse la inactivación total del agente patógeno.
Actualmente, algunas vacunas, como la de la hepatitis A y B, se obtienen por ingeniería genética. En general, la mayoría de los factores antigénicos son proteínas y, por ello, se procede a clonar el gen de la proteína correspondiente. Estas vacunas consisten exclusivamente en una o varias proteínas, ya que nunca se emplea el microorganismo completo; de este modo se elimina el riesgo de contraer la enfermedad por la vacunación. El mayor éxito se ha obtenido con las vacunas víricas.
Así mismo, se está estudiando la posibilidad de producir plantas portadoras de vacunas en sus células, para obtener vacunas incluidas en productos vegetales comestibles.
Prevención de enfermedades genéticas: Si se detectase la existencia de un gen defectuoso que se transmite a los gametos, podría sustiuirse por el gen correcto. De este modo, podría evitarse que el cigoto (y, por tanto, el nuevo individuo) padeciera la enfermedad.
Terapia génica¿Qué es una enfermedad genética?: En los trastornos genéticos un gen, o un
cromosoma normal, sufre cambios, es decir, muta y deja de hacer su función habitual. Si el cambio afecta a todas las células del organismo la enfermedad genética producida es hereditaria. En otros casos, como en el cáncer o en ciertas enfermedades víricas, como el sida, también se producen cambios en el ADN aunque estos no son hereditarios ya que no afectan a las células reproductoras.
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Las enfermedades genéticas hereditarias pueden ser: Cromosómicas. Son el resultado de problemas que afectan a cromosomas
completos, como el síndrome de Down que resulta de tener un cromosoma de más (el 21), o a fragmentos de cromosomas. Algunas anomalías cromosómicas son heredadas mientras que otras son el resultado de problemas en la formación de los gametos que han dado origen a esa persona.
Monogénicas. Se deben a cambios en un único gen y se heredan como cualquier otro carácter.Terapia génica:Por terapia génica se entiende aquel tratamiento de una enfermedad que se
basa en la introducción de genes en el organismo.Hasta ahora, el tratamiento de las enfermedades consistía en intervenir sobre las
consecuencias de la afección, y nunca en corregir la causa, es decir, los genes anómalos. Por ejemplo, en el caso de la hemofilia se le suministraba al enfermo los factores de coagulación sanguínea que su organismo no puede producir, de esta manera no se actúa sobre el gen anómalo que la produce. Esto no cura al enfermo.
A partir de la segunda mitad del siglo XX se inició el descubrimiento de los genes responsables de algunas enfermedades y, se comenzó a pensar en la solución definitiva de las enfermedades hereditarias: la sustitución del ADN mutado por ADN normal.
La terapia génica consiste en manipular genéticamente las células del organismo enfermo de manera que ellas mismas sinteticen correctamente la molécula que falta o que es defectuosa. Se pretende corregir la causa de la enfermedad y no solo los síntomas.
Muchas enfermedades humanas son enfermedades genéticas; y la posibilidad de sustituir el gen causante de la enfermedad por un alelo normal, mediante ingeniería genética, supondría la curación de muchas de estas enfermedades.
Para que pueda aplicarse una terapia génica deben cumplirse varias condiciones: Que la enfermedad esté causada por una anomalía génica. Que se haya localizado el gen defectuoso. Que se pueda clonar el gen normal no defectuoso. Que la introducción de este gen sea técnicamente posible y que el gen llegue en
condiciones a su objetivo. Que el gen se exprese correctamente y no haya reacciones adversas.
Para la introducción de genes en el organismo receptor, se emplean vectores, siendo los más utilizados determinados virus.
Existen diferentes estrategias para introducir genes en seres humanos:
Ex vivo: Es la más utilizada. Se extraen las células del enfermo y se cultivan en el laboratorio. Se les inserta el gen normal y se reintroducen en el organismo.
In vivo: Se introducen los genes por vía sanguínea mediante vectores que contienen en su superficie moléculas que son reconocidas únicamente por determinadas células, las células diana, que cuentan con receptores específicos. Así, se consigue modificar los genes defectuosos en todas las células de una determinada línea celular que los tiene, por ejemplo, las células transformadas de un cáncer diseminado.Las esperanzas que despertó la terapia génica se basan en las aplicaciones
futuras, pero quedan aún muchos problemas que resolver, por ejemplo: la integración de los genes en el ADN se produce al azar, pudiendo suceder que se fragmente un gen
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importante, como un supresor de tumores, con lo que se estaría induciendo un defecto genético al intentar solucionar otro.
Aunque ya se realizaron tratamientos de algunos enfermos, como los niños con inmunodeficiencias congénitas, (llamados “niños burbuja” que viven en habitaciones con filtros para impedir el acceso de microorganismos. Carencia de la enzima adenosín desaminasa que provoca un fallo en los linfocitos), la terapia génica se plantea como una forma de solucionar en el futuro numerosas enfermedades con base genética (cáncer) o hereditarias.
El diagnóstico clínicoComo cada vez se conoce mejor la relación entre la genética y muchas
enfermedades, la identificación de los genes responsables permite realizar un diagnóstico precoz, esencial en muchos casos para evitar o paliar las enfermedades.
Se localizaron los genes responsables de muchas enfermedades: fibrosis quística, distrofia muscular, enfermedad de Alzheimer , de la aparición de tumores (oncogenes) etc.
Si se conoce por lo menos parte de la secuencia de estos genes, es posible lanzar sondas de ADN para detectar la enfermedad mucho antes de que aparezcan los síntomas. Las sondas de ADN son fragmentos, marcados radiactivamente, de secuencias conocidas y complementarias de algún gen que queremos buscar.
Aplicaciones en agricultura y ganaderíaGenes manipulados pueden ser introducidos en animales y plantas para así
modificar alguna de sus características. Por ejemplo, para acelerar su crecimiento, para mejorar la calidad de sus productos (carne, leche, etc), para hacerlos resistentes a enfermedades, resistentes a insecticidas o herbicidas y a enfermedades microbianas.
Una planta transgénica es aquella a la que se le introdujo un gen procedente de otro organismo y que, una vez incorporado a su genoma, modifica alguna de sus características. De este modo, las plantas transformadas puede fabricar nuevos productos, como por ejemplo: toxinas, para resistir a los parásitos (virus, bacterias, hongos) o a los depredadores (insectos, gusanos…); enzimas para degradar los herbicidas; alimentos más ricos en determinados nutrientes o, por el contrario, con algún compuesto en muy baja proporción. Las plantas transgénicas podrían se más resistentes al frío, al hielo a la falta de agua o tolerar suelos salinos o altamente contaminados.
Transgénesis por microinyección de zigotos: Se extrae un óvulo recién fecundado (in vitro o in vivo), cuando, todavía es sólo una célula con dos núcleos aportados por las dos células germinales, para inyectarle a presión en uno de los dos núcleos mediante una micropipeta de vidrio, los genes previamente seleccionados y purificados. Después se implanta este óvulo en el útero de una madre nodriza, con la esperanza de que el animal que nazca haya incorporado los genes introducidos. Poco más de la mitad de las microinyecciones tienen éxito, y de los huevos implantados sólo la cuarta parte darán lugar a animales transgénicos.
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Transgénesis por manipulación de células embrionarias: Consiste en la introducción de ADN extraño en células embrionarias totipotentes (células ES) o células embrionarias madres (células EM).
Estas células se toman del interior de la blástula en desarrollo y se pasan a un medio donde se tratan con distintos productos con lo que se conseguirá que las células no se diferencien, y se mantiene su estado embrionario.
El ADN extraño se introduce en las células ES mediante diversas técnicas, posteriormente las células transfectadas son reintroducidas en una blástula y ésta se reimplanta en una hembra.
Aplicaciones ambientalesEliminación de residuos tóxicos con plantas capaces de resistir la presencia de
sustancias tóxicas y que acumulan en su cuerpo, o producción de combustibles biológicos (biocombustibles) a partir de plantas ricas en compuestos energéticos. Se denominan biocombustibles a cualquier combustible de origen biológico obtenido a partir de organismos vivos (plantas, algas) o de restos orgánicos (estiércol, restos agrícolas). Los biocombustibles pueden reducir en parte el consumo de combustibles fósiles tradicionales (petróleo, carbón) y también las emisiones contaminantes de la atmósfera.
La biorremediación: los vertidos de petróleo y sus derivados se convirtieron en uno de los problemas ambientales más graves generados por las actividades humanas. Algunas bacterias y mohos tienen en su genoma genes que les permiten degradar, de forma natural, los hidrocarburos. Sin embargo, el uso de estos organismos en la zona que tienen que descontaminar puede tener ciertas limitaciones, por ejemplo: las variaciones de temperatura del agua, las corrientes marinas, las condiciones nutricionales del mar y del suelo, o la necesidad de determinados nutrientes, son factores limitantes para su desenvolvimiento.
Por ingeniería genética se pueden diseñar organismos con capacidad para degradar estos compuestos y para desarrollarse en condiciones concretar, como: temperaturas bajas, alta concentración salina, etc. Por ejemplo, bacterias modificadas genéticamente que degradan el petróleo se emplearon por primera vez en 1989 para luchar contra la contaminación de las costas de Alaska provocada por el hundimiento del petrolero Exxon Valdez.
La bioadsorción: Consiste en la obtención, mediante ingeniería genética, de cepas bacterianas capaces de fijar en la superficie de sus células (absorber) ciertos metales ( plomo o mercurio) que interesa retirar del medio puesto que son tóxicos para la mayoría de los individuos. Estos microorganismos sirven, por ejemplo:
Para retirar iones tóxicos de suelos contaminados. Para enriquecer el lodo activo de las depuradoras de aguas residuales con cepas
capaces de acumular grandes cantidades demetales. Para fabricar biofiltros preparados para retener iones tóxicos.
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Riesgos e implicaciones éticasLos avances en el campo de la investigación aplicada y de la ingeniería genética
han sido realmente espectaculares: la medicina, la agricultura, la farmacología, la arqueología y la investigación forense han experimentado una revolución como consecuencia de la aplicación de la tecnología del ADN recombinante.
La capacidad de alterar el genoma de organismos vivos plantea también una serie de problemas científicos y éticos.
Toda la nueva tecnología genética provoca, en la sociedad, recelo y esperanza, al mismo tiempo. Recelo, por cuestiones de seguridad y de ética, esperanza, porque se abren muchas puertas para la curación de enfermedades que hasta ahora son incurables o de muy difícil solución.
Si se aborda la cuestión desde el punto de vista de la seguridad se plantea el problema de qué ocurriría, si organismos manipulados genéticamente, bacterias o virus portadores de genes peligrosos, podrían escaparse de los laboratorios y diseminarse libremente en la naturaleza. Aunque se toman precauciones para que este tipo de organismos no puedan reproducirse, siempre pueden producirse fallos.
Por otra parte, entre las bacterias se produce la transferencia horizontal de genes, de unas especies a otras, mediante transformación o transducción. Este tipo de fenómenos podrían transferir genes peligrosos a organismos sobre los que no se tiene control. Así podría surgir malas hierbas resistentes a los herbicidas o bacterias patógenas que incorporaran los genes resistentes a los antibióticos.
Efectos perjudiciales para la salud: Los alimentos transgénicos, muchos de los cuales se comercializan actualmente, también han originado polémica, pues no está suficientemente probado que sean absolutamente inocuos para el hombre o los animales. Hasta el momento solo están descritos problemas alérgicos derivados fundamentalmente de la falta de información en el etiquetado.
Pérdida de diversidad genética: Además de suponer una enorme pérdida de diversidad cultivada, las plantas transgénicas pueden invadir ecosistemas naturales y desplazar a las plantas autóctonas.
Las técnicas utilizadas conllevan unos dilemas éticos muy importantes, pues algunos de ellos afectan a la vida humana, como la posibilidad de interferir en las características de los hijos y la obtención de seres humanos modificados.
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La ética nos debe obligar a reflexionar sobre cuáles deben ser los límites, con qué criterios se establecen y quién los pone. Es necesario llegar a unos acuerdos entre dichas limitaciones y la necesidad de continuar la investigación científica.
La manipulación genética sobre los seres humanos plantea cuestiones éticas, jurídicas y filosóficas. La Declaración Universal del Genoma Humano, de 1988, prohíbe la clonación reproductiva de seres humanos. La introducción de genes en embriones humanos con el fin de corregir enfermedades o defectos, o de conferir ciertos rasgos estéticos deseables plantea problemas, no solo entre la comunidad científica, sino a nivel social.Bioética: la bioética es la rama de la ética que trata de proporcionar los principios orientadores de la conducta humana en el campo biomédico. El criterio bioético fundamental es el respeto al ser humano y a sus derechos inalienables, en definitiva, a la dignidad de la persona. La bioética es con frecuencia materia de discusión entre aquellos que defienden el progreso tecnológico de manera incondicional y los que consideran que la tecnología no es un fin en sí, sino que debe estar al servicio de las personas.
El comité de Bioética de España, creado en diciembre de 2007, es un órgano independiente y de carácter consultivo en esta materia. Su misión es elaborar informes, propuestas y recomendaciones a las administraciones estatal y autonómica, y representar a España en los foros internacionales de su ámbito de competencia. Está integrado por 12 miembros de la comunidad científico-jurídica y bioética, nombrados a propuesta de las comunidades autónomas y del Gobierno central.
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