20.2: Clonación

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En general, la clonación significa la creación de una réplica perfecta. Por lo general, la palabra se usa para describir la creación de una copia genéticamente idéntica. En biología, la recreación de un organismo completo se conoce como “clonación reproductiva”. Mucho antes de que se intentaran clonar un organismo completo, los investigadores aprendieron a copiar tramos cortos de ADN, un proceso que se conoce como clonación molecular.

Clonación Molecular

La clonación permite la creación de múltiples copias de genes, la expresión de genes y el estudio de genes específicos. Para obtener el fragmento de ADN en una célula bacteriana en una forma que se copiará o expresará, el fragmento se inserta primero en un plásmido. Un plásmido (también llamado vector en este contexto) es una pequeña molécula circular de ADN que se replica independientemente del ADN cromosómico en bacterias. En la clonación, las moléculas plasmídicas pueden usarse para proporcionar un “vehículo” en el que insertar un fragmento de ADN deseado. Los plásmidos modificados generalmente se reintroducen en un hospedador bacteriano para su replicación. A medida que las bacterias se dividen, copian su propio ADN (incluidos los plásmidos). El fragmento de ADN insertado se copia junto con el resto del ADN bacteriano. En una célula bacteriana, el fragmento de ADN del genoma humano (u otro organismo que se esté estudiando) se denomina ADN extraño para diferenciarlo del ADN de la bacteria (el ADN huésped).

Esta imagen muestra un dibujo lineal de una bacteria con su ADN cromosómico y varios plásmidos dentro de ella. La bacteria se dibuja como un gran óvalo. Dentro de la bacteria, círculos de tamaño pequeño a mediano ilustran los plásmidos, y una línea larga y delgada y cerrada que se cruza repetidamente ilustra el ADN cromosómico. — **Figura\(\PageIndex{1}\):** Los plásmidos ocurren de forma natural en las bacterias, pero también pueden ser modificados por científicos. (CC BY-SA 2.5; Spaully vía Wikimedia Commons)

Los plásmidos ocurren naturalmente en poblaciones bacterianas (como Escherichia coli) y tienen genes que pueden aportar rasgos favorables al organismo, como la resistencia a los antibióticos (la capacidad de no verse afectada por los antibióticos). Los plásmidos han sido altamente diseñados como vectores para la clonación molecular y para la posterior producción a gran escala de moléculas importantes, como la insulina. Una característica valiosa de los vectores plasmídicos es la facilidad con la que se puede introducir un fragmento de ADN extraño. Estos vectores plasmídicos contienen muchas secuencias cortas de ADN que pueden cortarse con diferentes enzimas de restricción comúnmente disponibles. Las enzimas de restricción (también llamadas endonucleasas de restricción) reconocen secuencias de ADN específicas y las cortan de manera predecible; son producidas naturalmente por bacterias como mecanismo de defensa contra ADN extraño. Muchas enzimas de restricción hacen cortes escalonados en las dos cadenas de ADN, de manera que los extremos cortados tienen un saliente monocatenario de 2 a 4 nucleótidos. La secuencia que es reconocida por la enzima de restricción es una secuencia de cuatro a ocho nucleótidos que es un palíndromo. Al igual que con una palabra palíndromo, esto significa que la secuencia lee lo mismo hacia adelante y hacia atrás. En la mayoría de los casos, la secuencia lee lo mismo hacia adelante en una hebra y hacia atrás en la cadena complementaria. Cuando se realiza un corte escalonado en una secuencia como esta, los voladizos son complementarios (Figura\(\PageIndex{2}\)).

En la parte A, la figura muestra una hebra de ADN tipo escalera. En la parte B, el ADN se corta en ambas hebras entre las dos guaninas. En la parte C, las 2 cadenas se han separado, dejando extremos pegajosos complementarios en cada una con nucleótidos 5' a 3' G, A, T y C no unidos. — **Figura\(\PageIndex{2}\):** En este (a) sitio de reconocimiento de enzima de restricción de seis nucleótidos, observe que la secuencia de seis nucleótidos lee lo mismo en la dirección 5' a 3' en una cadena que lo hace en la dirección 5' a 3' en la cadena complementaria. Esto se conoce como palíndromo. b) La enzima de restricción produce roturas en las cadenas de ADN, y c) el corte en el ADN da como resultado “extremos pegajosos”. Otra pieza de ADN cortada en cualquiera de los extremos por la misma enzima de restricción podría unirse a estos extremos pegajosos y ser insertada en el hueco hecho por este corte.

Debido a que estos voladizos son capaces de volver a unirse por enlaces de hidrógeno con voladizos complementarios en un trozo de ADN cortado con la misma enzima de restricción, estos se llaman “extremos pegajosos”. El proceso de formación de enlaces de hidrógeno entre secuencias complementarias en cadenas simples para formar ADN bicatenario se llama recocido. La adición de una enzima llamada ADN ligasa, que participa en la replicación del ADN en las células, se une permanentemente a los fragmentos de ADN cuando los extremos pegajosos se unen. De esta manera, cualquier fragmento de ADN puede ser empalmado entre los dos extremos de un ADN plasmídico que ha sido cortado con la misma enzima de restricción (Figura\(\PageIndex{3}\)).

La Figura ilustra las etapas de clonación molecular en un plásmido denominado vector de clonación. El vector tiene un gen lacZ, el cual es necesario para metabolizar la lactosa, y un gen para la resistencia a ampicilina. Dentro del gen lacZ se encuentran sitios de restricción, secuencias de ADN cortadas por una enzima de restricción particular. El ADN a clonar y el plásmido son ambos cortados por la misma enzima de restricción. La enzima de restricción escalona los cortes en las dos cadenas de ADN, de tal manera que cada hebra tiene un bit de ADN monocatenario saliente. En una cadena, la secuencia del saliente es GATC, y en la otra, la secuencia es CTAG. Estas dos secuencias son complementarias, y permiten que el fragmento de ADN extraño se hibride con el plásmido. Una enzima llamada ligasa une las dos piezas juntas. El plásmido ligado se transforma luego en una cepa bacteriana que carece del gen lacZ y es sensible al antibiótico ampicilina. Las bacterias se colocan en placas sobre medios que contienen ampicilina, de manera que solo crecerán las bacterias que hayan absorbido el plásmido (que tiene un gen de resistencia a la ampicilina). El medio también contiene X-gal, una sustancia química que se metaboliza de la misma manera que la lactosa. Los plásmidos que carecen del inserto son capaces de metabolizar X-gal, liberando un colorante de X-gal que vuelve azul la colonia. Los plásmidos con el inserto tienen un gen lacZ alterado y producen colonias blancas. Así, las colonias que contienen el ADN clonado pueden seleccionarse en base al color. — **Figura\(\PageIndex{3}\):** Este diagrama muestra los pasos involucrados en la clonación molecular.

Los plásmidos con ADN extraño insertado en ellos se denominan moléculas de ADN recombinante porque contienen nuevas combinaciones de material genético. Las proteínas que se producen a partir de moléculas de ADN recombinante se denominan proteínas recombinantes. No todos los plásmidos recombinantes son capaces de expresar genes. Los plásmidos también pueden diseñarse para expresar proteínas solo cuando son estimulados por ciertos factores ambientales, de manera que los científicos puedan controlar la expresión de las proteínas recombinantes.

Clonación celular

Los organismos unicelulares, como las bacterias y las levaduras, producen naturalmente clones de sí mismos cuando se replican asexualmente por fisión binaria; esto se conoce como clonación celular. El ADN nuclear se duplica por el proceso de mitosis, lo que crea una réplica exacta del material genético.

Clonación Reproductiva

La clonación reproductiva es un método utilizado para hacer un clon o una copia idéntica de todo un organismo multicelular. La mayoría de los organismos multicelulares experimentan reproducción por medios sexuales, lo que implica el aporte del ADN de dos individuos (padres), haciendo imposible generar una copia idéntica o un clon de cualquiera de los progenitores. Los recientes avances en biotecnología han permitido clonar reproductivamente mamíferos en el laboratorio.

La reproducción sexual natural implica la unión, durante la fecundación, de un espermatozoide y un óvulo. Cada uno de estos gametos es haploide, es decir, contienen un conjunto de cromosomas en sus núcleos. La célula resultante, o cigoto, es entonces diploide y contiene dos conjuntos de cromosomas. Esta célula se divide mitóticamente para producir un organismo multicelular. Sin embargo, la unión de dos células cualquiera no puede producir un cigoto viable; hay componentes en el citoplasma del óvulo que son esenciales para el desarrollo temprano del embrión durante sus primeras divisiones celulares. Sin estas disposiciones, no habría desarrollo posterior. Por lo tanto, para producir un nuevo individuo, se requiere tanto un complemento genético diploide como un citoplasma de huevo. El enfoque para producir un individuo clonado artificialmente es tomar el óvulo de un individuo y eliminar el núcleo haploide (Figura\(\PageIndex{4}\)). Después se introduce en el óvulo un núcleo diploide de una célula corporal de un segundo individuo, el donante. Luego se estimula al huevo para que se divida para que el desarrollo avance. Esto suena simple, pero de hecho se necesitan muchos intentos antes de que cada uno de los pasos se complete con éxito.

El primer animal agrícola clonado fue Dolly, una oveja que nació en 1996. La tasa de éxito de la clonación reproductiva en ese momento fue muy baja. Dolly vivió seis años y murió de un tumor pulmonar. Se especuló que debido a que el ADN celular que dio origen a Dolly provenía de un individuo mayor, la edad del ADN pudo haber afectado su esperanza de vida. Desde Dolly, varias especies de animales (como caballos, toros y cabras) han sido clonadas con éxito.

La ilustración muestra los pasos en la clonación de la oveja llamada Dolly. Un óvulo enucleado de una oveja se fusiona con una célula mamaria de otra oveja. Esta célula fusionada luego se divide a la etapa de blastocisto y se coloca en el útero de la oveja sustituta, donde se desarrolla en el cordero, Dolly. Dolly es el clon genético del donante de células mamarias. — **Figura\(\PageIndex{4}\): La** creación de Dolly, la oveja clonada.

Ha habido intentos de producir embriones humanos clonados como fuentes de células madre embrionarias. En el procedimiento, el ADN de un humano adulto se introduce en un óvulo humano, que luego se estimula para que se divida. La tecnología es similar a la tecnología que se utilizó para producir Dolly, pero el embrión nunca se implanta en una madre sustituta. Las células producidas se llaman células madre embrionarias porque tienen la capacidad de desarrollarse en muchos tipos diferentes de células, como las células musculares o nerviosas. Las células madre podrían ser utilizadas para investigar y, en última instancia, proporcionar aplicaciones terapéuticas, como reemplazar tejidos dañados. El beneficio de la clonación en esta instancia es que las células utilizadas para regenerar nuevos tejidos serían una combinación perfecta con el donante del ADN original. Por ejemplo, un paciente con leucemia no requeriría un hermano con una coincidencia de tejido para un trasplante de médula ósea.

Consulta\(\PageIndex{1}\)

Referencias

A menos que se indique lo contrario, las imágenes de esta página están bajo licencia CC-BY 4.0 de OpenStax.

OpenStax, Biología. OpenStax CNX. mayo 27, 2016 http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:8CA_YwJq@3/Cloning-and-Genetic-Engineerin