Biotecnología e Ingeniería Genética: Conceptos Clave

La biotecnología y la ingeniería genética son campos interconectados que han revolucionado la ciencia y la tecnología. A continuación, se definen estos conceptos:

  • Biotecnología: Uso de técnicas de modificación del ADN para producir organismos vivos con el fin de crear productos útiles para el ser humano.
  • Ingeniería Genética: Conjunto de técnicas que permiten la manipulación y transferencia de genes de un organismo a otro. Los organismos resultantes son conocidos como organismos modificados genéticamente (OMG).

Aplicaciones de la Ingeniería Genética

La ingeniería genética tiene un amplio rango de aplicaciones en diversos campos:

  1. Medicina y Farmacia:
    • Obtención de proteínas terapéuticas.
    • Terapia génica.
    • Diagnóstico de enfermedades genéticas.
  2. Agricultura y Ganadería:
    • Obtención de quimeras transgénicas.
    • Obtención de organismos transgénicos.
  3. Medicina Forense e Investigaciones Policiales:
    • Análisis de la huella genética (ADN).

Aplicaciones de la Biotecnología

La biotecnología abarca una amplia gama de aplicaciones, incluyendo:

  1. Alimentación: Fermentaciones (lácticas, ácido-acéticas y alcohólicas) producidas por microorganismos.
  2. Agricultura, Ganadería y Silvicultura:
    • Estudio del genoma mediante marcadores moleculares.
    • Organismos modificados genéticamente (OMG).
  3. Medio Ambiente:
    • Protección del medio ambiente.
    • Biorremediación.
    • Biodegradación (petróleo, plásticos, aguas residuales).
  4. Medicina:
    • Medicamentos y biomoléculas de interés (hormonas proteicas, productos derivados del colesterol, vacunas recombinantes).
  5. Producción de Nuevos Materiales:
    • Biomateriales y economía circular (biodiesel, bioetanol, biogás).

PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa)

La PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) es una técnica de laboratorio fundamental utilizada para amplificar, es decir, hacer muchas copias de una región específica de ADN. El objetivo es producir suficiente ADN de la región diana para que pueda ser analizado o utilizado en otras aplicaciones, como secuenciación, electroforesis o clonación.

Componentes Principales de la PCR

  • Muestra de ADN molde: Fragmento de ADN de interés que se desea amplificar. Requiere desnaturalización previa para separar las cadenas.
  • Nucleótidos: Se unen por complementariedad a la muestra de ADN molde, simulando la replicación del ADN.
  • Taq polimerasa: Enzima ADN polimerasa termoestable que sintetiza nuevas cadenas de ADN. Es ideal para la PCR debido a su estabilidad térmica.
  • Cebadores (Primers): Secuencias cortas de nucleótidos que proporcionan un punto de inicio para la síntesis de ADN. Se utilizan dos cebadores diseñados para flanquear la región a amplificar.

Fases de la PCR

Los ingredientes clave (Taq polimerasa, cebadores, ADN molde y nucleótidos) se colocan en un tubo junto con los cofactores enzimáticos y se someten a ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento:

  1. Desnaturalización (96ºC): Separación de las cadenas de ADN.
  2. Templado/Alineamiento (55-65ºC): Unión de los cebadores a sus secuencias complementarias en el ADN molde.
  3. Extensión (72ºC): La Taq polimerasa extiende los cebadores, sintetizando nuevas cadenas de ADN.

Este ciclo se repite 25-35 veces, duplicando aproximadamente la cantidad de ADN en cada ciclo. La electroforesis en gel se utiliza comúnmente para comprobar el éxito de la PCR.

Nota: El ADN migra del polo negativo al positivo debido a la carga negativa de los grupos fosfato.

Visualización de los Resultados de una PCR: Electroforesis en Gel

Los resultados de la PCR se visualizan mediante electroforesis en gel. Esta técnica separa fragmentos de ADN según su tamaño, utilizando una corriente eléctrica a través de una matriz de gel (generalmente agarosa). Se incluye un marcador de peso molecular para determinar el tamaño de los fragmentos. Los fragmentos de ADN se tiñen para su visualización bajo luz UV.

Nota: El gel de agarosa actúa como un filtro. Las moléculas de ADN más pequeñas migran más rápido.

Aplicaciones de la PCR

  • Clonación de genes.
  • Estudios evolutivos.
  • Huellas dactilares del ADN (medicina forense).

Electroforesis en Gel

La electroforesis en gel es una técnica utilizada para separar fragmentos de ADN según su tamaño y carga. Se aplica una corriente eléctrica a través de un gel que contiene las moléculas de interés. Las moléculas se desplazan a diferentes velocidades, separándose unas de otras.

Procedimiento de la Electroforesis

  1. Preparación del Gel: Se utiliza un gel de agarosa, que se solidifica formando una matriz porosa.
  2. Colocación del Gel en la Cubeta: El gel se coloca en una cubeta llena de una solución amortiguadora (buffer) que conduce la corriente y mantiene el pH.
  3. Carga de las Muestras: Las muestras de ADN se cargan en pozos en un extremo del gel.
  4. Aplicación de la Corriente Eléctrica: Se conecta la cubeta a una fuente de alimentación, creando un campo eléctrico. El ADN, con carga negativa, migra hacia el electrodo positivo.
  5. Separación de los Fragmentos: Los fragmentos más pequeños se mueven más rápido a través del gel que los fragmentos más grandes.
  6. Visualización: El gel se tiñe con un compuesto que se une al ADN (como el bromuro de etidio) y se visualiza bajo luz ultravioleta (UV). Las bandas de ADN aparecen como líneas brillantes.

Clonación de ADN

La clonación de ADN es el proceso de hacer múltiples copias idénticas de un fragmento particular de ADN. Un procedimiento típico implica la inserción del gen de interés en un plásmido (fragmento circular de ADN). Se utilizan enzimas de restricción y ADN ligasa para “cortar y pegar” el ADN, creando una molécula de ADN recombinante.

Pasos de la Clonación de ADN

  1. Corte y Pegado del ADN:
    • Enzimas de restricción: Reconocen secuencias específicas de ADN (sitios de restricción) y las cortan, generando extremos cohesivos o romos. Ejemplo: EcoRI.
    • ADN ligasa: Une los fragmentos de ADN, formando enlaces fosfodiéster.
  2. Incorporación del ADN Recombinante en Bacterias (Transformación):
    • Los plásmidos recombinantes se introducen en bacterias (como E. coli) mediante un proceso llamado transformación (por ejemplo, choque térmico).
    • Se utiliza un gen de resistencia a antibióticos en el plásmido para seleccionar las bacterias que han incorporado el plásmido.
  3. Expresión del Gen Blanco y Purificación de la Proteína de Interés:
    • Se cultiva un gran número de bacterias que contienen el plásmido.
    • Se induce la expresión del gen blanco.
    • La proteína de interés se purifica mediante técnicas como la cromatografía de afinidad.

Usos de la Clonación de ADN

  • Producción de productos biofarmacéuticos (por ejemplo, insulina).
  • Terapia génica.
  • Análisis genético.