17.1: Biotecnología

Habilidades para Desarrollar

• Describir electroforesis en gel
• Explicar la clonación molecular y reproductiva
• Describir usos de la biotecnología en medicina y agricultura

La biotecnología es el uso de agentes biológicos para el avance tecnológico. La biotecnología se utilizó para la cría de ganado y cultivos mucho antes de que se entendiera la base científica de estas técnicas. Desde el descubrimiento de la estructura del ADN en 1953, el campo de la biotecnología ha crecido rápidamente tanto a través de la investigación académica como de empresas privadas. Las principales aplicaciones de esta tecnología están en la medicina (producción de vacunas y antibióticos) y la agricultura (modificación genética de cultivos, como para aumentar los rendimientos). La biotecnología también tiene muchas aplicaciones industriales, como la fermentación, el tratamiento de derrames de petróleo y la producción de biocombustibles (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Los antibióticos son sustancias químicas producidas por hongos, bacterias y otros organismos que tienen propiedades antimicrobianas. El primer antibiótico descubierto fue la penicilina. Los antibióticos ahora se producen comercialmente y se prueban para determinar su potencial para inhibir el crecimiento bacteriano. (crédito “anuncio”: modificación de obra por parte de los NIH; crédito “placa de prueba”: modificación de obra por Don Stalons/CDC; datos de barra de escala de Matt Russell)

Técnicas Básicas para Manipular Material Genético (ADN y ARN)

Para comprender las técnicas básicas utilizadas para trabajar con ácidos nucleicos, recuerde que los ácidos nucleicos son macromoléculas hechas de nucleótidos (un azúcar, un fosfato y una base nitrogenada) unidos por enlaces fosfodiéster. Los grupos fosfato en estas moléculas tienen cada uno una carga neta negativa. Un conjunto completo de moléculas de ADN en el núcleo se llama genoma. El ADN tiene dos cadenas complementarias unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases emparejadas. Las dos cadenas se pueden separar por exposición a altas temperaturas (desnaturalización del ADN) y se pueden volver a hibridar por enfriamiento. El ADN puede ser replicado por la enzima ADN polimerasa. A diferencia del ADN, que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas, las moléculas de ARN abandonan el núcleo. El tipo de ARN más común que se analiza es el ARN mensajero (ARNm) porque representa los genes codificantes de proteínas que se expresan activamente. Sin embargo, las moléculas de ARN presentan algunos otros desafíos para el análisis, ya que a menudo son menos estables que el ADN.

Extracción de ADN y ARN

Para estudiar o manipular ácidos nucleicos, primero se debe aislar o extraer el ADN o ARN de las células. Se utilizan diversas técnicas para extraer diferentes tipos de ADN (Figura\(\PageIndex{2}\)). La mayoría de las técnicas de extracción de ácidos nucleicos implican pasos para romper la célula y usar reacciones enzimáticas para destruir todas las macromoléculas que no se desean (como la degradación de moléculas no deseadas y la separación de la muestra de ADN). Las células se rompen usando un tampón de lisis (una solución que es principalmente un detergente); lisis significa “dividir”. Estas enzimas rompen las moléculas lipídicas en las membranas celulares y las membranas nucleares. Las macromoléculas se inactivan usando enzimas como proteasas que descomponen las proteínas y ribonucleasas (RNasas) que descomponen el ARN. Luego se precipita el ADN usando alcohol. El ADN genómico humano suele ser visible como una masa gelatinosa y blanca. Las muestras de ADN se pueden almacenar congeladas a —80°C durante varios años.

Figura\(\PageIndex{2}\): Este diagrama muestra el método básico utilizado para la extracción de ADN.

El análisis de ARN se realiza para estudiar los patrones de expresión génica en las células. El ARN es naturalmente muy inestable porque las RNasas están comúnmente presentes en la naturaleza y son muy difíciles de inactivar. Similar al ADN, la extracción de ARN implica el uso de diversos tampones y enzimas para inactivar macromoléculas y preservar el ARN.

Electroforesis en Gel

Debido a que los ácidos nucleicos son iones cargados negativamente a pH neutro o básico en un ambiente acuoso, pueden ser movilizados por un campo eléctrico. La electroforesis en gel es una técnica utilizada para separar moléculas en base al tamaño, utilizando esta carga. Los ácidos nucleicos se pueden separar como cromosomas completos o fragmentos. Los ácidos nucleicos se cargan en una ranura cerca del electrodo negativo de una matriz semisólida de gel poroso y se estiran hacia el electrodo positivo en el extremo opuesto del gel. Las moléculas más pequeñas se mueven a través de los poros en el gel más rápido que las moléculas más grandes; esta diferencia en la velocidad de migración separa los fragmentos en función del tamaño. Hay muestras estándar de peso molecular que se pueden ejecutar junto con las moléculas para proporcionar una comparación de tamaños. Los ácidos nucleicos en una matriz de gel se pueden observar usando diversos colorantes fluorescentes o coloreados. Distintos fragmentos de ácido nucleico aparecen como bandas a distancias específicas de la parte superior del gel (el extremo negativo del electrodo) en función de su tamaño (Figura\(\PageIndex{3}\)). Una mezcla de fragmentos de ADN genómico de diferentes tamaños aparecen como un frotis largo, mientras que el ADN genómico sin cortar suele ser demasiado grande para atravesar el gel y forma una sola banda grande en la parte superior del gel.

Figura\(\PageIndex{3}\): Se muestran fragmentos de ADN de siete muestras ejecutadas en un gel, teñidas con un tinte fluorescente y vistas bajo luz UV. (crédito: James Jacob, Tompkins Cortland Community College)

Amplificación de fragmentos de ácido nucleico por reacción en cadena de la polimerasa

Aunque el ADN genómico es visible a simple vista cuando se extrae a granel, el análisis de ADN a menudo requiere enfocarse en una o más regiones específicas del genoma. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica utilizada para amplificar regiones específicas del ADN para su posterior análisis (Figura\(\PageIndex{4}\)). La PCR se utiliza para muchos propósitos en laboratorios, como la clonación de fragmentos génicos para analizar enfermedades genéticas, la identificación de ADN extraño contaminante en una muestra y la amplificación del ADN para la secuenciación. Las aplicaciones más prácticas incluyen la determinación de la paternidad y la detección de enfermedades genéticas.

Figura\(\PageIndex{4}\): La reacción en cadena de la polimerasa, o PCR, se utiliza para amplificar una secuencia específica de ADN. Los cebadores, fragmentos cortos de ADN complementarios a cada extremo de la secuencia diana, se combinan con ADN genómico, polimerasa Taq y desoxinucleótidos. La polimerasa Taq es una ADN polimerasa aislada de la bacteria termoestable Thermus aquaticus que es capaz de soportar las altas temperaturas utilizadas en la PCR. Thermus aquaticus crece en la Cuenca del Géiser Inferior del Parque Nacional Yellowstone. La PCR con transcriptasa inversa (RT-PCR) es similar a la PCR, pero el ADNc se elabora a partir de un molde de ARN antes de que comience la PCR.

Los fragmentos de ADN también pueden amplificarse a partir de un molde de ARN en un proceso llamado PCR de transcriptasa inversa (RT-PCR). El primer paso es recrear la cadena molde de ADN original (llamada ADNc) aplicando nucleótidos de ADN al ARNm. Este proceso se llama transcripción inversa. Esto requiere la presencia de una enzima llamada transcriptasa inversa. Después de hacer el ADNc, se puede usar PCR regular para amplificarlo.

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Profundiza tu comprensión de la reacción en cadena de la polimerasa haciendo clic en este ejercicio interactivo.

Hibridación, Southern Blotting y Northern Blotting

Las muestras de ácido nucleico, como los extractos de ADN y ARN genómicos fragmentados, pueden sondearse para detectar la presencia de ciertas secuencias. Los fragmentos cortos de ADN llamados sondas están diseñados y marcados con tintes radiactivos o fluorescentes para ayudar a la detección. La electroforesis en gel separa los fragmentos de ácido nucleico según su tamaño. Los fragmentos en el gel se transfieren luego a una membrana de nylon en un procedimiento llamado blotting (Figura\(\PageIndex{5}\)). Los fragmentos de ácido nucleico que se unen a la superficie de la membrana se pueden sondear entonces con secuencias de sonda específicas marcadas radiactivamente o fluorescentemente. Cuando el ADN se transfiere a una membrana de nylon, la técnica se llama Southern blotting, y cuando el ARN se transfiere a una membrana de nylon, se llama Northern Blot. Las transferencias Southern se utilizan para detectar la presencia de ciertas secuencias de ADN en un genoma dado, y las transferencias Northern se utilizan para detectar la expresión génica.

Figura\(\PageIndex{5}\): La transferencia Southern se utiliza para encontrar una secuencia particular en una muestra de ADN. Los fragmentos de ADN se separan en un gel, se transfieren a una membrana de nylon y se incuban con una sonda de ADN complementaria a la secuencia de interés. La transferencia Northern es similar a la transferencia Southern, pero el ARN se ejecuta en el gel en lugar de ADN. En la transferencia Western, las proteínas se ejecutan en un gel y se detectan usando anticuerpos.

Clonación Molecular

En general, la palabra “clonación” significa la creación de una réplica perfecta; sin embargo, en biología, la recreación de un organismo completo se denomina “clonación reproductiva”. Mucho antes de que se intentaran clonar un organismo entero, los investigadores aprendieron a reproducir regiones o fragmentos deseados del genoma, proceso que se conoce como clonación molecular.

La clonación de pequeños fragmentos del genoma permite la manipulación y estudio de genes específicos (y sus productos proteicos), o regiones no codificantes en aislamiento. Un plásmido (también llamado vector) es una pequeña molécula circular de ADN que se replica independientemente del ADN cromosómico. En la clonación, las moléculas plasmídicas se pueden utilizar para proporcionar una “carpeta” en la que insertar un fragmento de ADN deseado. Los plásmidos se introducen habitualmente en un hospedador bacteriano para su proliferación. En el contexto bacteriano, al fragmento de ADN del genoma humano (o del genoma de otro organismo que se está estudiando) se le denomina ADN extraño, o un transgén, para diferenciarlo del ADN de la bacteria, que se denomina ADN huésped.

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 reutilizados y diseñados como vectores para la clonación molecular y la producción a gran escala de reactivos importantes, como la insulina y la hormona del crecimiento humana. Una característica importante de los vectores plasmídicos es la facilidad con la que se puede introducir un fragmento de ADN extraño a través del sitio de clonación múltiple (MCS). El MCS es una secuencia de ADN corta que contiene múltiples sitios que se pueden cortar con diferentes endonucleasas de restricción comúnmente disponibles. Las endonucleasas de restricción reconocen secuencias específicas de ADN y las cortan de manera predecible; son producidas naturalmente por bacterias como mecanismo de defensa contra ADN extraño. Muchas endonucleasas de restricción hacen cortes escalonados en las dos cadenas de ADN, de manera que los extremos cortados tienen un saliente monocatenario de 2 o 4 bases. Debido a que estos voladizos son capaces de recocer con voladizos complementarios, estos se llaman “extremos pegajosos”. La adición de una enzima llamada ADN ligasa se une permanentemente a los fragmentos de ADN a través de enlaces fosfodiéster. De esta manera, cualquier fragmento de ADN generado por escisión de endonucleasa de restricción puede ser empalmado entre los dos extremos de un ADN plasmídico que ha sido cortado con la misma endonucleasa de restricción (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Moléculas de ADN recombinante

Los plásmidos con ADN extraño insertado en ellos se denominan moléculas de ADN recombinante porque se crean artificialmente y no ocurren en la naturaleza. También se les llama moléculas quiméricas porque el origen de diferentes partes de las moléculas se remonta a diferentes especies de organismos biológicos o incluso a la síntesis química. Las proteínas que se expresan a partir de moléculas de ADN recombinante se denominan proteínas recombinantes. No todos los plásmidos recombinantes son capaces de expresar genes. El ADN recombinante puede necesitar ser trasladado a un vector diferente (u hospedador) que esté mejor diseñado para la expresión génica. 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.

Conexión artística

Figura\(\PageIndex{6}\): Este diagrama muestra los pasos involucrados en la clonación molecular.

Estás trabajando en un laboratorio de biología molecular y, sin que lo supieras, tu compañero de laboratorio dejó el ADN genómico extraño que planeas clonar en el banco de laboratorio durante la noche en lugar de guardarlo en el congelador. Como resultado, fue degradado por nucleasas, pero aún se utilizó en el experimento. El plásmido, por otro lado, está bien. ¿Qué resultados esperarías de tu experimento de clonación molecular?

1. No habrá colonias en la placa bacteriana.
2. Solo habrá colonias azules.
3. Habrá colonias azules y blancas.
4. Serán colonias blancas únicamente.

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Visualizar una animación de recombinación en clonación desde el Centro de Aprendizaje de ADN.

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 la hibridación genética de dos individuos (padres), lo que hace imposible la generación de una copia idéntica o un clon de cualquiera de los progenitores. Los recientes avances en biotecnología han permitido inducir artificialmente la reproducción asexual de mamíferos en el laboratorio.

La partenogénesis, o “nacimiento virgen”, ocurre cuando un embrión crece y se desarrolla sin que ocurra la fertilización del óvulo; esta es una forma de reproducción asexual. Un ejemplo de partenogénesis ocurre en especies en las que la hembra pone un óvulo y si el óvulo es fertilizado, es un óvulo diploide y el individuo se convierte en hembra; si el óvulo no se fertiliza, sigue siendo un óvulo haploide y se convierte en macho. El huevo no fertilizado se llama huevo partenogénico, o virgen. Algunos insectos y reptiles ponen huevos partenogénicos que pueden convertirse en adultos.

La reproducción sexual requiere de dos células; cuando el óvulo haploide y los espermatozoides se fusionan, resulta un cigoto diploide. El núcleo del cigoto contiene la información genética para producir un nuevo individuo. Sin embargo, el desarrollo embrionario temprano requiere el material citoplásmico contenido en el óvulo. Esta idea forma la base para la clonación reproductiva. Por lo tanto, si el núcleo haploide de un óvulo es reemplazado por un núcleo diploide de la célula de cualquier individuo de la misma especie (llamado donante), se convertirá en un cigoto que es genéticamente idéntico al donante. La transferencia nuclear de células somáticas es la técnica de transferir un núcleo diploide a un óvulo enucleado. Se puede utilizar tanto para clonación terapéutica como para clonación reproductiva.

El primer animal 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 siete años y murió de complicaciones respiratorias (Figura 17.1.7). Se especula que debido a que el ADN celular pertenece a un individuo mayor, la edad del ADN puede afectar la esperanza de vida de un individuo clonado. Desde Dolly, varios animales como caballos, toros y cabras han sido clonados con éxito, aunque estos individuos a menudo presentan anomalías faciales, de extremidades y cardíacas. Ha habido intentos de producir embriones humanos clonados como fuentes de células madre embrionarias, algunas veces denominadas clonación con fines terapéuticos. La clonación terapéutica produce células madre para intentar remediar enfermedades o defectos perjudiciales (a diferencia de la clonación reproductiva, que tiene como objetivo reproducir un organismo). Aún así, los esfuerzos de clonación terapéutica han encontrado resistencia por consideraciones bioéticas.

Conexión artística

Figura\(\PageIndex{7}\): Dolly la oveja fue el primer mamífero en ser clonado. Para crear Dolly, se retiró el núcleo de un óvulo donante. Luego se introdujo en la célula el núcleo de una segunda oveja, la cual se dejó dividir a la etapa de blastocisto antes de ser implantada en una madre sustituta. (crédito: modificación de obra por “Squidonius” /Wikimedia Commons)

¿Crees que Dolly era una oveja Finn-Dorset o una oveja escocesa Blackface?

Ingeniería Genética

La ingeniería genética es la alteración del genotipo de un organismo usando tecnología de ADN recombinante para modificar el ADN de un organismo para lograr rasgos deseables. La adición de ADN extraño en forma de vectores de ADN recombinante generados por clonación molecular es el método más común de ingeniería genética. El organismo que recibe el ADN recombinante se denomina organismo genéticamente modificado (OGM). Si el ADN extraño que se introduce proviene de una especie diferente, el organismo huésped se llama transgénico. Las bacterias, las plantas y los animales han sido modificados genéticamente desde principios de la década de 1970 con fines académicos, médicos, agrícolas e industriales. En Estados Unidos, los OGM como la soja preparada para Roundup y el maíz resistente a los barrenadores son parte de muchos alimentos procesados comunes.

Gene Targeting

Si bien los métodos clásicos de estudio de la función de los genes comenzaron con un fenotipo determinado y determinaron la base genética de ese fenotipo, las técnicas modernas permiten a los investigadores comenzar a nivel de secuencia de ADN y preguntar: “¿Qué hace este gen o elemento de ADN?” Esta técnica, llamada genética inversa, ha dado como resultado revertir la metodología genética clásica. Este método sería similar a dañar una parte del cuerpo para determinar su función. Un insecto que pierde un ala no puede volar, lo que significa que la función del ala es volar. El método genético clásico compararía insectos que no pueden volar con insectos que pueden volar, y observaría que los insectos no voladores han perdido alas. De manera similar, mutar o eliminar genes proporciona a los investigadores pistas sobre la función génica. Los métodos utilizados para inhabilitar la función génica se denominan colectivamente como diana génica. El objetivo génico es el uso de vectores de ADN recombinante para alterar la expresión de un gen particular, ya sea introduciendo mutaciones en un gen, o eliminando la expresión de un determinado gen eliminando una parte o la totalidad de la secuencia génica del genoma de un organismo.

Biotecnología en Medicina y Agricultura

Es fácil ver cómo se puede utilizar la biotecnología con fines medicinales. El conocimiento de la composición genética de nuestra especie, la base genética de las enfermedades hereditarias y la invención de la tecnología para manipular y fijar genes mutantes proporciona métodos para tratar la enfermedad. La biotecnología en la agricultura puede mejorar la resistencia a enfermedades, plagas y estrés ambiental, y mejorar tanto el rendimiento como la calidad de los cultivos.

Diagnóstico Genético y Terapia Génica

El proceso de pruebas de sospecha de defectos genéticos antes de administrar el tratamiento se llama diagnóstico genético mediante pruebas genéticas. Dependiendo de los patrones de herencia de un gen causante de enfermedad, se aconseja a los miembros de la familia que se sometan a pruebas genéticas. Por ejemplo, generalmente se aconseja a las mujeres diagnosticadas con cáncer de mama que se hagan una biopsia para que el equipo médico pueda determinar las bases genéticas del desarrollo del cáncer. Los planes de tratamiento se basan en los hallazgos de pruebas genéticas que determinan el tipo de cáncer. Si el cáncer es causado por mutaciones genéticas heredadas, también se aconseja a otras parientes femeninas que se sometan a pruebas genéticas y exámenes periódicos de detección del cáncer de mama. También se ofrecen pruebas genéticas para fetos (o embriones con fertilización in vitro) para determinar la presencia o ausencia de genes causantes de enfermedades en familias con enfermedades debilitantes específicas.

La terapia génica es una técnica de ingeniería genética utilizada para curar enfermedades. En su forma más simple, implica la introducción de un buen gen en una ubicación aleatoria en el genoma para ayudar a la curación de una enfermedad que es causada por un gen mutado. El gen bueno generalmente se introduce en células enfermas como parte de un vector transmitido por un virus que puede infectar a la célula huésped y entregar el ADN extraño (Figura\(\PageIndex{8}\)). Las formas más avanzadas de terapia génica intentan corregir la mutación en el sitio original del genoma, como es el caso del tratamiento de la inmunodeficiencia combinada grave (IDCS).

Figura\(\PageIndex{8}\): La terapia génica mediante un vector adenovirus puede ser utilizada para curar ciertas enfermedades genéticas en las que una persona tiene un gen defectuoso. (crédito: NIH)

Producción de Vacunas, Antibióticos y Hormonas

Las estrategias tradicionales de vacunación utilizan formas debilitadas o inactivas de microorganismos para montar la respuesta inmune inicial. Las técnicas modernas utilizan los genes de microorganismos clonados en vectores para producir en masa el antígeno deseado. Luego, el antígeno se introduce en el cuerpo para estimular la respuesta inmune primaria y desencadenar la memoria inmune. Los genes clonados a partir del virus de la influenza se han utilizado para combatir las cepas de este virus en constante cambio.

Los antibióticos son un producto biotecnológico. Son producidos naturalmente por microorganismos, como los hongos, para lograr una ventaja sobre las poblaciones bacterianas. Los antibióticos se producen a gran escala cultivando y manipulando células fúngicas.

La tecnología de ADN recombinante se utilizó para producir grandes cantidades de insulina humana en E. coli ya en 1978. Anteriormente, solo era posible tratar la diabetes con insulina porcina, la cual provocaba reacciones alérgicas en humanos debido a diferencias en el producto génico. Además, la hormona del crecimiento humano (HGH) se utiliza para tratar los trastornos del crecimiento en niños. El gen de HGH se clonó a partir de una biblioteca de ADNc y se insertó en células de E. coli clonándolo en un vector bacteriano.

Animales Transgénicos

Aunque varias proteínas recombinantes utilizadas en medicina se producen con éxito en bacterias, algunas proteínas requieren un hospedador animal eucariota para su correcto procesamiento. Por esta razón, los genes deseados son clonados y expresados en animales, como ovejas, cabras, pollos y ratones. Los animales que han sido modificados para expresar ADN recombinante se denominan animales transgénicos. Varias proteínas humanas se expresan en la leche de ovejas y cabras transgénicas, y algunas se expresan en los huevos de pollos. Los ratones han sido ampliamente utilizados para expresar y estudiar los efectos de genes recombinantes y mutaciones.

Plantas transgénicas

La manipulación del ADN de las plantas (es decir, la creación de OGM) ha ayudado a crear rasgos deseables, como resistencia a enfermedades, resistencia a herbicidas y pesticidas, mejor valor nutricional y mejor vida útil (Figura\(\PageIndex{9}\)). Las plantas son la fuente de alimento más importante para la población humana. Los agricultores desarrollaron formas de seleccionar variedades de plantas con rasgos deseables mucho antes de que se establecieran las prácticas biotecnológicas modernas.

Figura\(\PageIndex{9}\): El maíz, un importante cultivo agrícola utilizado para crear productos para una variedad de industrias, a menudo se modifica a través de la biotecnología vegetal. (crédito: Keith Weller, USDA)

Las plantas que han recibido ADN recombinante de otras especies se denominan plantas transgénicas. Debido a que no son naturales, las plantas transgénicas y otros OGM son monitoreados de cerca por organismos gubernamentales para garantizar que sean aptos para el consumo humano y no pongan en peligro la vida de otras plantas y animales. Debido a que los genes extraños pueden propagarse a otras especies en el ambiente, se requieren pruebas exhaustivas para garantizar la estabilidad ecológica. Grapas como el maíz, las papas y los tomates fueron las primeras plantas de cultivo en ser modificadas genéticamente.

Transformación de plantas usando Agrobacterium tumefaciens

La transferencia génica ocurre naturalmente entre especies en poblaciones microbianas. Muchos virus que causan enfermedades humanas, como el cáncer, actúan incorporando su ADN al genoma humano. En las plantas, los tumores causados por la bacteria Agrobacterium tumefaciens ocurren por transferencia de ADN de la bacteria a la planta. Aunque los tumores no matan a las plantas, hacen que las plantas se atrofien el crecimiento y sean más susceptibles a las duras condiciones ambientales. Muchas plantas, como las nueces, las uvas, los árboles de nueces y las remolachas, se ven afectadas por A. tumefaciens. La introducción artificial de ADN en las células vegetales es más desafiante que en las células animales debido a la gruesa pared celular de la planta.

Los investigadores utilizaron la transferencia natural de ADN de Agrobacterium a un huésped vegetal para introducir fragmentos de ADN de su elección en hospedadores vegetales. En la naturaleza, los A. tumefaciens causantes de la enfermedad tienen un conjunto de plásmidos, llamados plásmidos Ti (plásmidos inductores de tumores), que contienen genes para la producción de tumores en plantas. El ADN del plásmido Ti se integra en el genoma de la célula vegetal infectada. Los investigadores manipulan los plásmidos Ti para eliminar los genes causantes del tumor e insertar el fragmento de ADN deseado para transferirlo al genoma de la planta. Los plásmidos Ti portan genes de resistencia a antibióticos para ayudar a la selección y también pueden propagarse en células de E. coli.

El Insecticida Orgánico Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (Bt) es una bacteria que produce cristales proteicos durante la esporulación que son tóxicos para muchas especies de insectos que afectan a las plantas. La toxina Bt tiene que ser ingerida por los insectos para que la toxina sea activada. Los insectos que han comido la toxina Bt dejan de alimentarse de las plantas en pocas horas. Después de que la toxina se activa en los intestinos de los insectos, la muerte ocurre dentro de un par de días. La biotecnología moderna ha permitido a las plantas codificar su propia toxina cristalina Bt que actúa contra los insectos. Los genes de la toxina cristalina han sido clonados a partir de Bt e introducidos en plantas. Se ha encontrado que la toxina Bt es segura para el medio ambiente, no tóxica para humanos y otros mamíferos, y está aprobada para su uso por agricultores orgánicos como insecticida natural.

Tomate Flavr Savr

El primer cultivo transgénico que se introdujo en el mercado fue el Tomate Flavr Savr producido en 1994. Se utilizó la tecnología de ARN antisentido para ralentizar el proceso de ablandamiento y pudrición causado por infecciones fúngicas, lo que llevó a aumentar la vida útil de los tomates GM. La modificación genética adicional mejoró el sabor de este tomate. El tomate Flavr Savr no se quedó exitosamente en el mercado debido a problemas de mantenimiento y envío del cultivo.

Resumen

Los ácidos nucleicos pueden aislarse de las células con fines de análisis adicionales rompiendo las células y destruyendo enzimáticamente todas las demás macromoléculas principales. Los cromosomas fragmentados o enteros se pueden separar en base al tamaño mediante electroforesis en gel. Los tramos cortos de ADN o ARN pueden amplificarse por PCR. La transferencia Southern y Northern se puede utilizar para detectar la presencia de secuencias cortas específicas en una muestra de ADN o ARN. El término “clonación” puede referirse a la clonación de pequeños fragmentos de ADN (clonación molecular), clonación de poblaciones celulares (clonación celular) o clonación de organismos enteros (clonación reproductiva). Se realizan pruebas genéticas para identificar genes causantes de enfermedades, y la terapia génica se usa para curar una enfermedad heredable.

Los organismos transgénicos poseen ADN de una especie diferente, generalmente generado por técnicas de clonación molecular. Vacunas, antibióticos y hormonas son ejemplos de productos obtenidos por tecnología de ADN recombinante. Las plantas transgénicas generalmente se crean para mejorar las características de las plantas de cultivo.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{6}\): Estás trabajando en un laboratorio de biología molecular y, sin que lo sabías, tu compañero de laboratorio dejó el ADN genómico extraño que planeas clonar en el banco de laboratorio durante la noche en lugar de guardarlo en el congelador. Como resultado, fue degradado por nucleasas, pero aún se utilizó en el experimento. El plásmido, por otro lado, está bien. ¿Qué resultados esperarías de tu experimento de clonación molecular?

1. No habrá colonias en la placa bacteriana.
2. Solo habrá colonias azules.
3. Habrá colonias azules y blancas.
4. Serán colonias blancas únicamente.

Responder

B. El experimento resultaría únicamente en colonias azules.

Figura\(\PageIndex{7}\): ¿Crees que Dolly era una oveja Finn-Dorset o una oveja escocesa Blackface?

Responder

Dolly era una oveja Finn-Dorset porque a pesar de que la célula original provenía de una oveja escocesa de cara negra y la madre sustituta era una cara negra escocesa, el ADN provino de un Finn-Dorset.

Glosario

resistencia a antibióticos

capacidad de un organismo para no verse afectado por las acciones de un antibiótico

biotecnología

uso de agentes biológicos para el avance tecnológico

clonación celular

producción de poblaciones celulares idénticas por fisión binaria

clonar

réplica exacta

ADN foráneo

ADN que pertenece a una especie diferente o ADN que se sintetiza artificialmente

electroforesis en gel

técnica utilizada para separar moléculas sobre la base del tamaño usando carga eléctrica

focalización génica

método para alterar la secuencia de un gen específico mediante la introducción de la versión modificada en un vector

terapia génica

técnica utilizada para curar enfermedades heredables mediante la sustitución de genes mutantes por buenos genes

diagnóstico genético

diagnóstico del potencial de desarrollo de la enfermedad mediante el análisis de genes causantes de enfermedad

ingeniería genética

alteración de la composición genética de un organismo

pruebas genéticas

proceso de pruebas para detectar la presencia de genes causantes de enfermedades

organismo modificado genéticamente (OMG)

organismo cuyo genoma ha sido cambiado artificialmente

ADN del huésped

ADN que está presente en el genoma del organismo de interés

tampón de lisis

solución utilizada para romper la membrana celular y liberar el contenido celular

clonación molecular

clonación de fragmentos de ADN

sitio de clonación múltiple (MCS)

sitio que puede ser reconocido por múltiples endonucleasas de restricción

Northern Blotting

transferencia de ARN de un gel a una membrana de nylon

reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

técnica utilizada para amplificar el ADN

sonda

pequeño fragmento de ADN utilizado para determinar si la secuencia complementaria está presente en una muestra de ADN

proteasa

enzima que descompone las proteínas

ADN recombinante

combinación de fragmentos de ADN generados por clonación molecular que no existe en la naturaleza; también conocida como molécula quimérica

proteína recombinante

producto proteico de un gen derivado por clonación molecular

clonación reproductiva

clonación de organismos enteros

endonucleasa de restricción

enzima que puede reconocer y escindir secuencias de ADN específicas

genética inversa

método para determinar la función de un gen comenzando con el gen mismo en lugar de comenzar con el producto génico

PCR de transcriptasa inversa (RT-PCR)

Técnica de PCR que implica convertir ARN en ADN mediante transcriptasa inversa

ribonucleasa

enzima que descompone el ARN

Southern blotting

transferencia de ADN de un gel a una membrana de nylon

Plasmido Ti

sistema plasmídico derivado de Agrobacterium tumifaciens que ha sido utilizado por científicos para introducir ADN extraño en células vegetales

transgénico

organismo que recibe ADN de una especie diferente