Ingeniería Genética

Hoy ha sido noticia que se ha terminado de secuenciar el genoma de la vaca. Se puede ver la noticia en el diario El Público.

La última noticia es que la Comisión Nacional de Reproducción Humana Asistida ha autorizado el uso de la selección de embriones para evitar un cáncer hereditario de tiroides y de una variedad de un cáncer de mama muy agresivo. Podéis ver la notica aparecida en EL PAIS.

Estos logros son posibles gracias al empleo de técnicas de ingenieria genética que permiten manipular el ADN. La Ingeniería genética nace a finales del siglo XX con el descubrimiento de las endonucleasas de restricción (enzimas de restricción) por los los microbiólogos Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith. Estos científicos fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina de 1978 .

El descubrimiento de las endonucleasas de restricción condujo al desarrollo de la tecnología de el ADN recombinante.

Esta tecnología permite cortar el ADN en pequeños trozos por puntos específicos y la unión de fragmentos de ADN de diferentes orígenes que han sido cortados con la misma enzima de restricción. Es decir, se puede extraer genes del ADN de un organismos, mezclarlos con los de otro, obteniendo un ADN recombinante, y finalmente integrar el ADN recombinado en otro organismo, originando un organismo transgénico.

El primer uso práctico de la ingeniería genética fue la manipulación de la bacteria Escherichia coli para introduceir en ella el gen de la insulina humana y así obtener bactaerias capaces de produci insulina humana para los diabéticos.

La expresión del mensaje genético

En 1902 Archibald Garrod descubrió que la alcaptonuria (enfermedad metabólica) era causada por una anomalía hereditaria.

En 1948 George Beadle y Edward L. Tatum, tras sus trabajos con mutantes nutricionales del hongo Neurospora crassa, enunciaron su hipótesis de "un gen-un enzima", según la cual cada gen lleva información para un enzima. Posteriormente se amplió a las proteínas.

Francis Crick propuso la hipótesis de la secuencia que afirma que la secuencia de bases nitrogenadas del ADN se correlaciona lineálmente con la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Está hipótesis se vió confirmada poco después por el equipo dirigido por Yanosfy. Este grupo demostró que en diferentes cepas de Escherichia coli caracterizadas por poseer distinta variantes de una proteína, existía una correlación entre cambios en su ADN y las alteraciones en los aminoácidos de las proteínas.

Posteriormente, Francois Jacob y Jacques Monod expusieron su hipótesis del mensajero en la que se decía que una mólecula de ARN (ARN mensajero) actuaba como intermediario entre el gen de ADN y la síntesis de la proteína que codifica.
Así, en 1970 quedaba completo el Dogma Central de la Biología Molecular expuesto por Francis Crick en 1958 y que dice: El ADN es la molécula que almacena y transmite de una generación a otra (tras su duplicación) la información genética. En la expresión de dicha información el gen de aADN se transcribe en una molécula de ARN mensajero que posteriormente es traducida por los ribosomas en la síntesis de la proteína codificada.
Con este dogma se explicaba todo el mecanismo de la herencia a nivel molecular. Demasiado elegante y sencillo para que permaneciese mucho tiempo. La vida es muy compleja y oportunista. Se han encontrado excepciones a este dogma en virus y ciertos microorganismos unicelulres. Quizá desluzca el dogma pero hace más sorprendente a la vida, si eso todavía es posible.

Aquí tenéis un vídeo que resume estos procesos, desde la estructura del ADN hasta la síntesis de proteínas:

Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso de síntesis de dos moléculas de ADN hijas a partir de una progenitora. Todas ellas tienen la misma secuencia e información genética.

James Watson y Francis Crick cuando publicaron su trabajo sobre la estructura del ADN ya expusieron un modelo de replicación del ADN. El mecanismo propuesto se dice que es semiconservativo puesto que las moléculas hijas de ADN conservan una hebra parental entera y otra de nueva síntesis. La hebra parental ha servido de molde para la síntesis de la nueva hebra que es complementaria. De esta forma se asegura que las moléculas hijas sean idénticas a las progenitoras. Sin embargo, había también otros modelos alternativos, la replicación conservativa y la dispersiva:
El modelo semiconservativo fue demostrado experimentalmente por Matthew Meselson y Franklin Stahl en 1958.

Ese mismo año Arthur Kornberg aisló la enzima ADN polimerasa que es la responsable del proceso de replicación.

Para que el ADN se copie deben romperse las uniones entre las bases nitrogenadas de las hebras complementearias con lo que se forma una burbuja de replicación. A cada extremo de la burbuja se aparece una horquilla de replicación . En cada horquilla se sitúa un complejo enzimatico (entre las que está la ADN polimerasa) que desenrolla la molécula progenitora de ADN, la abre y sintetiza una nueva cadena de ADN tomando como molde cada una de las hebras parentales. Cada horquilla avanza en sentido opuesto hasta completar el proceso. Por tanto el proceso es bidireccional.

Aquí tenéis un vídeo que explica en detalle el mecanismo molecular de la replicación del ADN:




Si os habéis fijado con detenimiento en el vídeo, en la horquilla de replicación la síntesis de ADN es diferente en cada hebra. En la superior el proceso de síntesis se produce en el sentido de avance y es contínuo, se dice que es la hebra conductora. En la hebra inferior, la síntesis se realiza en sentido contrario al avance y es discontinua, se dice que esta hebra es retardada.

En la realidad esto no se produce así. Para poder sintetizar la hebra retardada esta síntesis se debe producir en el mismo sentido de avance en el que se abre el ADN progenitor. Para poder hacerlo así el complejo enzimático forma como un blucle con las hebras de ADN molde. De esta forma, en la hebra retardada el ADN se origina de discontinua (un fragmento por cada bucle) dando lugar a los fragmentos de Okazaki

Echar un vistazo a este vídeo en el que se aprecia este hecho. El sentido de avance es hacia la izquierda y la hebra retardada es la superior. Observar cómo se forma el bucle y se sintetiza un fragmento de Okazaki de forma reiterada hasta acabar el proceso:

Genética molecular

En la primera mitad del siglo XX se realizaron los experimentos que permitieron identificar al ADN como la molécula responsable de la herencia. Los genes (los factores de Mendel) se encuentran localizados en el ADN. De esta forma se inicio la Genética Molecular que estudia la composición, estructura y funcionamiento de las moléculas responsables de la herencia genética.
En 1953, James Watson y Francis Crick expusieron el modelo de doble hélice para la estructura del ADN. En las décadas siguientes se descubrieron cuáles son los procesos generales que hacen posible la transmisión de la genes de una generación a otra y los que hacen posible la expresión de los mismos en las células. En 1970 todo se explicaba en el Dogma Central de la Biología Molecular.
El ADN se transmite de una generación a otra replicándose (mecanismo que permite la obtención de dos copias idénticas de ADN a partir de una molécula progenitora) y se expresa cada gen de ADN transcribiendose a una molécula mensajera de ARN cuya información es traducida a proteínas por los ribosomas. Podemos simplificar afirmando que son las proteínas las que, al hacer posible el metabolismo, manifiestan de los caracteres hereditarios.