Métodos para obtener material genético
El primer paso en la creación de moléculas recombinantes es el aislamiento o la síntesis artificial del gen diana. Para ello, en la ingeniería genética se emplean varios enfoques principales:
- Aislamiento de genes naturales. Las estructuras genéticas (cromosomas o plásmidos) se aíslan por completo. Para la extracción precisa de la región deseada, se utiliza la escisión enzimática mediante restrictasas (enzimas de restricción), que cortan el ADN en enlaces estrictamente definidos. Si el objeto es el ARN, se emplean ribozimas (enzimas que actúan de manera similar a las restrictasas).
- Síntesis química. Es adecuada para la creación de genes relativamente pequeños. El proceso incluye tres etapas: análisis de proteínas con determinación de la secuencia de aminoácidos $\rightarrow$ conversión de la secuencia de aminoácidos en nucleotídica (basada en codones) $\rightarrow$ síntesis directa del gen en un aparato especial (sintetizador).
- Transcripción inversa. Se utiliza al trabajar con virus de ARN. Mediante la enzima reversasa (transcriptasa inversa), la información genética se transcribe del ARN viral al ADN.
Construcción del vector y sistema de expresión
Tras obtener el gen diana, es necesario integrarlo en un sistema de transporte: el vector. La unión del gen deseado con el ADN vectorial se realiza mediante enzimas ligasas (proceso de ligación). Como vectores se suelen utilizar plásmidos, bacteriófagos, así como virus humanos, animales o vegetales.
A continuación, la molécula de ADN recombinante se introduce en la célula receptora (célula hospedadora). La esencia del proceso es que, tras la integración del gen híbrido, la célula adquiere una nueva propiedad y comienza a sintetizar una sustancia que no le es propia.
Organismos receptores:
- Bacterias (por ejemplo, E. coli, B. subtilis, pseudomonas).
- Levaduras.
- Virus.
Al seleccionar el receptor, se tiene en cuenta su capacidad para integrar el gen ajeno, el nivel de expresión (cuán pronunciada será la síntesis), la seguridad ambiental, la facilidad de cultivo masivo y la capacidad de secretar el producto al exterior (al medio de cultivo).
Problemas de producción y proteínas quiméricas
En la etapa de obtención de la sustancia deseada, la producción biotecnológica se enfrenta a una serie de desafíos. Los científicos crean cepas hiperproductoras capaces de reordenar el metabolismo de modo que hasta la mitad de la proteína que producen sea el producto ajeno de interés.
Sin embargo, una alta expresión no resuelve todos los problemas. Si la célula no secreta el producto al medio, su extracción requiere la destrucción (desintegración) de la propia célula. Además, existe el riesgo para la integridad del producto: la proteína de interés puede ser destruida por proteasas intracelulares o inhibidores incluso durante el proceso de síntesis.
Para facilitar el reconocimiento y la aislamiento de la sustancia, se utiliza la técnica de creación de proteínas quiméricas. Al gen de la proteína deseada se le une de antemano un gen indicador (por ejemplo, el gen de la $\beta$-galactosidasa o el gen del interferón). Como resultado, la célula sintetiza una única proteína híbrida que es fácil de detectar. Tras el aislamiento, la parte marcadora se escinde, obteniendo el producto puro de interés.
Aplicación práctica y barreras de implementación
La ingeniería genética y de proteínas permite resolver una amplísima gama de problemas médicos, incluida la terapia de patologías genéticas congénitas y la influencia dirigida sobre el genoma. Ya hoy en día, mediante la ingeniería genética se han creado cientos de fármacos:
- Vacunas: contra la hepatitis B.
- Hormonas: insulina, hormonas de crecimiento, eritropoyetina.
- Fármacos inmunológicos: interferones, interleucinas, factor de necrosis tumoral (TNF), mielopéptidos, péptidos tímicos, anticuerpos monoclonales.
- Fármacos para el sistema hemostático: activador tisular del plasminógeno, factores de coagulación sanguínea.
- Diagnósticos: antígenos del VIH.
En un futuro próximo se espera la aparición de vacunas recombinantes contra la malaria, la sífilis, la encefalitis transmitida por garrapatas, la rabia, así como nuevos factores estimulantes de colonias y neuropéptidos.
Obstáculos en el camino de la implementación (todos ellos superables):
- Cuestiones de seguridad: temores debido al riesgo de propagación de microbios recombinantes (actualmente la bioseguridad está demostrada si se cumplen las normas de trabajo).
- Complejidad tecnológica (procesamiento): necesidad de desarrollar esquemas complejos de múltiples etapas para purificar la proteína de interés del cultivo productor.
- Problema de identidad (bioequivalencia): necesidad de pruebas rigurosas de que la proteína artificial es completamente idéntica a su análogo natural, hasta el correcto plegamiento de la molécula.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué tipos de endonucleasas de restricción existen y en qué se diferencian?
Existen endonucleasas de restricción que se diferencian por el tipo de corte del ADN y los extremos que generan.
| Tipo de corte | Mecanismo | Resultado |
|---|---|---|
| A lo largo del eje de simetría | Corte estrictamente uno frente al otro | Formación de extremos «romos» de doble cadena |
| Con desplazamiento | Corte con desplazamiento (formación de un «escalón») | Formación de extremos «pegajosos» de cadena sencilla |
Los extremos «pegajosos» son regiones complementarias entre sí que pueden localizarse en el extremo 5' (fosfatos) o en el extremo 3' (hidroxilos). Las propias enzimas también difieren en su especificidad de sustrato, ya que reconocen una secuencia corta y específica de nucleótidos (habitualmente de 4 a 6 pares de bases).
¿Cómo se aplica la reacción en cadena de la polimerasa (RCP) para obtener material genético de interés?
La reacción en cadena de la polimerasa se utiliza para la copia múltiple selectiva (amplificación) de un determinado gen o fragmento de ADN en condiciones in vitro.
El proceso permite multiplicar por millones la cantidad de una secuencia específica de ADN en pocas horas, utilizando una cantidad mínima de material inicial. El ciclo de RCP incluye tres etapas:
- Desnaturalización (92 °C) — rotura de los enlaces de hidrógeno y formación de dos matrices de ADN de cadena sencilla.
- Hibridación (55 °C) — unión complementaria de cebadores sintetizados artificialmente a los extremos 3' de las cadenas molde.
- Elongación (72 °C) — extensión de la cadena complementaria mediante Taq polimerasa termoestable en dirección 5' → 3'.
Para memorizar las etapas de la recombinación in vitro, utilice la regla de las «Tres V»: Extracción de ADN → Inserción en el vector (obtención de la molécula híbrida) → Introducción en el receptor.
Preguntas de clases y exámenes
¿En qué consiste el problema de la bioequivalencia de los fármacos obtenidos por ingeniería genética?
Es necesario demostrar de manera convincente que la proteína recombinante es completamente idéntica a su análogo natural. Para ello se realizan estudios y, a veces, se requiere una modificación adicional de la molécula para su correcto plegamiento espacial.
¿Para qué se utilizan las endonucleasas de restricción en ingeniería genética?
Son enzimas especializadas que actúan como «tijeras moleculares». Cortan la molécula de ADN en enlaces químicos estrictamente definidos, permitiendo escindir el gen diana deseado.
¿Qué son las cepas hiperproductoras?
Son bacterias recombinantes modificadas artificialmente cuyo metabolismo se ha reorientado hacia la síntesis del producto deseado por los científicos. En estas cepas, hasta el 50% de toda la proteína sintetizada puede corresponder a la proteína ajena de interés.
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismo de acción de las enzimas de restricción y las ADN ligasas
- Esquemas de desintegración de células bacterianas para el aislamiento de productos
- Diferencias entre los sistemas de transporte plasmídicos y virales (vectores)
- Desarrollos prometedores de vacunas recombinantes (VIH, malaria, sífilis)
Estudie el tema completo en el curso de «Microbiología»
Aquí tienes un resumen. En el curso encontrarás todo lo que preguntan en clase y en el examen.
- Guía metodológica completa sobre el tema «Ingeniería genética» y otras 4.383 páginas de la asignatura
- Ejercicios y pruebas después de cada tema, igual que en el examen práctico
- El tutor de IA responderá a tus preguntas sobre el tema en cualquier momento
- 141 videotutoriales de la asignatura
Otros temas de la sección «Biotecnología. Ingeniería genética»
Toda la sección «Biotecnología. Ingeniería genética»Videoclases gratuitas: microbiologíaLecciones breves con resúmenes, sin registro.
Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.