Bioloxía Molecular: Mutacións, Técnicas e Aplicacións da Enxeñería Xenética

Mutacións Xenéticas: Cambios no ADN e Variabilidade

Son cambios que se producen na secuencia do ADN dun organismo. A maioría das mutacións suceden ao azar, de forma natural: son as mutacións espontáneas; pero tamén poden inducirse empregando axentes mutaxénicos (substancias químicas, radiacións ultravioleta...).

As mutacións e a recombinación xenética prodúcense durante a meiose, sendo a principal fonte de variabilidade xenética (a vía fundamental para realizar modificacións na información xenética e xerar organismos diversos, contribuíndo á biodiversidade).

• As mutacións que afectan ás células somáticas non se transmiten á descendencia.
• As mutacións que afectan ás células xerminais (as que orixinan as células sexuais) transmítense á descendencia.

Tipos de Mutacións

Segundo o efecto no organismo:

• Beneficiosas: confiren unha vantaxe ao ser vivo.
• Prexudiciais: comprometen a función do xene.
• Neutras: non producen ningún efecto, nin positivo nin negativo.

Segundo a magnitude do cambio producido no ADN:

• Mutacións xénicas: as máis habituais. Prodúcense por un cambio na secuencia de nucleótidos dun xene determinado; isto desencadea un cambio ou mesmo a ausencia total da proteína que se sintetiza a partir dese xene afectado.
• Mutacións cromosómicas: afectan aos cromosomas. Cando a mutación afecta a unha rexión grande do cromosoma, vense alterados moitos xenes. Inclúen a perda ou ganancia de fragmentos de cromosomas. Outras veces, a cantidade de ADN non se ve afectada, pero si a súa localización dentro do cromosoma.
• Mutacións xenómicas: orixínanse durante a formación dos gametos e provocan unha dotación cromosómica alterada. Poden ocasionar a perda ou ganancia dun ou varios cromosomas completos ou que se multipliquen os xogos cromosómicos, aparecendo series 3n ou 4n en lugar das habituais 2n. As mutacións xenómicas frecuentes nos humanos son as trisomías dos cromosomas 21 (síndrome de Down), cromosoma 18 (síndrome de Edwards) e cromosoma 13 (síndrome de Patau).

Técnicas de Enxeñería Xenética: Manipulación e Edición do ADN

Manipulación do ADN

Tras anos de investigación básica sobre a estrutura do ADN e das proteínas que interveñen nas súas funcións, desenvolvéronse técnicas que permiten manipular o ADN para extraer, agregar ou modificar os xenes, pertenzan estes ou non a organismos da mesma especie.

A enxeñería xenética é o conxunto de técnicas que permiten a manipulación do ADN e a súa transferencia duns organismos a outros.

Denomínase organismo xeneticamente modificado (OXM) aquel cuxo xenoma (ou conxunto total dos seus xenes) foi modificado empregando técnicas de enxeñería xenética.

A Tecnoloxía do ADN Recombinante

Un ADN recombinante é un fragmento de ADN que se obtivo a partir de diferentes fragmentos dunha ou varias febras de ADN. Para poder construír un ADN recombinante, utilízanse:

• Enzimas de restrición: son proteínas que actúan como tesoiras moleculares, cortando por puntos concretos do ADN.
• Vectores: actúan como vehículos capaces de penetrar nas células. A maioría adoitan ser plásmidos (fragmentos de ADN independentes do cromosoma bacteriano que se atopan no citoplasma das bacterias).
• As ADN ligases: son enzimas que unen os segmentos de ADN.
• As células receptoras ou hóspede: recibirán o xene procedente doutro organismo. Os individuos que recibiron o «novo xene» denomínanse organismos transxénicos.

Como crear ADN recombinante?

1. Localízase e íllase o xene que se vai transferir. Extráese o ADN completo do organismo cuxo xene se desexa transferir.
2. O ADN extraído trátase con enzimas de restrición, que cortan secuencias de ADN, entre as que se atopa o xene de interese.
3. Elíxese un vector (plásmido). O plásmido, procedente dunha bacteria, íllase e córtase cos mesmos enzimas de restrición cos que se cortou o ADN a transferir. Isto permitirá a unión de cada extremo do fragmento do plásmido con cada fragmento de ADN que leva o xene.
4. As ADN ligases unen os dous tipos de ADN. Fórmase unha molécula de ADN recombinante.
5. Introdúcese o ADN na célula receptora, pode ser unha bacteria. A bacteria que incorpora o ADN recombinante será un organismo transxénico.
6. Compróbase que o xene se expresa e se obtén un gran número de organismos transxénicos. Unha vez que se verifica que o xene introducido se expresa, procédese ao cultivo dos organismos transxénicos para que xeren moitas copias que portan o novo xene (clons).

Clonación: Copias Idénticas de Organismos e Células

O termo clonación pode usarse para referirse a un organismo, unha célula ou unha molécula e consiste na obtención dunha ou varias copias idénticas ao orixinal. Existen dous tipos:

A clonación reprodutiva

Consiste en obter un individuo idéntico xeneticamente a outro. As principais aplicacións desta técnica baséanse na obtención de animais cun alto rendemento na produción de carne ou leite, de animais de laboratorio que poidan servir de modelo para investigar sobre algunhas enfermidades ou na recuperación de animais en perigo de extinción.

A clonación terapéutica

Para realizala, precísanse as denominadas células nai, que xeralmente se obteñen a partir de células somáticas de tecidos adultos ou embrións temperáns. As células nai teñen a capacidade de dividirse indefinidamente e orixinar distintos tipos celulares. Esta técnica ten importantes aplicacións médicas, sobre todo para tratar certas enfermidades e reparar órganos danados.

A clonación de Dolly

En 1996, os científicos Wilmut e Campbell conseguiron por primeira vez clonar un mamífero a partir dunha célula somática. Para obter a Dolly, extraeron o núcleo dunha célula das mamas dunha ovella adulta e utilizárono para substituír o núcleo dun óvulo doutra ovella. Finalmente, implantárono nunha terceira ovella, que desenvolveu a xestación.

A Tecnoloxía CRISPR: Edición Xenética Avanzada

• CRISPR son siglas en inglés que se usan para denominar un grupo de secuencias de ADN que se poden atopar en bacterias. Estas secuencias permítenlles ás bacterias defenderse dos virus recoñecéndoos a partir do material xenético e inutilizalos cortando as súas cadeas de ADN.
• O descubrimento destas secuencias que recoñecen e cortan en puntos concretos do ADN dos virus deu lugar á creación dunha tecnoloxía de edición xenética que permite engadir ou eliminar fragmentos de código xenético de forma moito máis sinxela.
• Esta técnica está actualmente en desenvolvemento e non se utiliza para tratamentos en humanos, xa que non se conseguiu que o proceso de «corta-pega» das secuencias de ADN sexa exacto e poderían producirse alteracións en lugares inesperados.

Outras Técnicas de Bioloxía Molecular

PCR: Reacción en Cadea da Polimerase

O termo PCR vén do inglés (Polymerase Chain Reaction). Esta técnica permite obter, en poucas horas, millóns de copias dun segmento de ADN.

A PCR ten actualmente moitas aplicacións, xa que permite que, a partir dunha mínima cantidade de ADN, como nunha mostra de sangue, se poida obter unha enorme cantidade de ADN.

A Secuenciación de ADN

Permite determinar a orde da secuencia de bases dun determinado ADN. Esta técnica realízase de forma automática cos secuenciadores. Isto permitiu coñecer o xenoma ou conxunto total de xenes de diversos organismos; entre eles, o do ser humano.

O xenoma humano obtívose grazas ao Proxecto Xenoma Humano (iniciado en 1989) coa finalidade de secuenciar o ADN humano, localizar os xenes nos cromosomas e determinar a súa función.

A PCR e o Coronavirus (COVID-19)

• Toma de mostras: debe ser en condicións o máis estériles posibles para evitar a contaminación. No caso da COVID-19, recóllese na zona nasofarínxea porque é un dos lugares onde se reproduce o virus.
• Preparación da mostra: úsase unha mestura de substancias que rompen as estruturas que protexen os ácidos nucleicos. Engádense todos os elementos necesarios para que se produza a reacción en cadea da polimerase no termociclador. Como o coronavirus é un virus de ARN, é necesario introducir unha proteína chamada transcriptase inversa, a cal transforma o ARN nunha cadea de ADN que pode reaccionar coa polimerase e producir millóns de copias dese ADN.
• Termociclador: sométese a mostra a ciclos de cambios de temperatura que activan o proceso de multiplicación do ADN, xerando os fragmentos que nos permitirán identificar o coronavirus.
• Revelado: cada mostra revélase usando un xel e marcadores fluorescentes para comprobar se os fragmentos de ADN que buscamos estaban na mostra. En caso de que aparezan todos nunha mesma mostra, considérase que é positivo.

Aplicacións da Enxeñería Xenética: Impacto e Futuro

En Agricultura, Gandería e Pesca

A aplicación da enxeñería xenética para a mellora de animais e plantas é controvertida, fundamentalmente debido ao medo aos seus posibles efectos a longo prazo na saúde das persoas ou ecosistemas. Algunhas aplicacións son:

• Melloras nas especies para aumentar a produción: plantas capaces de resistir ou defenderse das pragas, resistentes a herbicidas.
• Introdución de melloras en animais co fin de obter un crecemento máis rápido ou a produción de proteínas de interese no leite.
• Produción de alimentos con mellores características nutricionais que beneficien o consumidor.

Millo Transxénico Bt

Inseríuselle o xene Bt, procedente da bacteria Bacillus thuringiensis, que produce a toxina insecticida Bt, mortal para unha praga que afecta o trade do millo. Ofrece a vantaxe de reducir o uso de insecticidas e un aumento na produtividade da colleita. Preocupan os efectos tóxicos adversos sobre insectos e a transferencia de xenes a outras plantas a través da polinización.

En Medicina

Obtención de Medicamentos

Empregando enxeñería xenética, ofrece a vantaxe dunha maior facilidade para a produción e menor risco de contaminación en comparación con outros medios; por exemplo:

• Produción de antibióticos, vitaminas e proteínas recombinantes, como a hemoglobina.
• Produción de hormonas como a do crecemento empregando bacterias transxénicas.

Terapias Xénicas

Método para tratar certas enfermidades xenéticas, baseado na modificación xenética dos tecidos afectados. Lévase a cabo introducindo, directa ou indirectamente, xenes normais nas células dunha persoa afectada por unha enfermidade de orixe xenética. Case todas as terapias relacionadas están aínda en fase de estudo.

Células Natural Killer (NK) contra o Cancro

As células NK son un tipo de linfocitos que se atopan de forma natural no noso organismo. Algúns experimentos demostraron que se poden modificar xeneticamente células NK para que recoñezan antíxenos de células canceríxenas e as destrúan. Aínda que este tipo de terapias están en fase experimental, supoñen unha grande esperanza na loita contra o cancro.

No Medio Ambiente

• A recuperación de especies en perigo de extinción; por exemplo, o muflón de Sardeña.
• O deseño de organismos xeneticamente modificados con capacidade de eliminar compostos altamente tóxicos. Os grupos de organismos máis utilizados son os microorganismos e as plantas. A este tipo de procesos aplicados á recuperación de ecosistemas chámaselle biorremediación.
• O desenvolvemento de procesos industriais que reduzan a contaminación producida por medios tradicionais. Por exemplo, o salmón atlántico de crecemento rápido: a esta especie inseríuselle un xene da hormona do crecemento procedente do salmón real, de maior tamaño, e unha secuencia reguladora do zoárcido, que vive en climas moi fríos. A vantaxe é o rápido crecemento do salmón transxénico. Preocupa como afectaría á rede trófica e ás especies silvestres.

Riscos da Enxeñería Xenética

• Perda de biodiversidade xenética pola posible invasión dos organismos transxénicos nos ecosistemas naturais.
• Transferencia accidental dos xenes modificados a especies silvestres.
• Efectos sobre a saúde humana ante a posibilidade de desenvolver alerxias ou resistencia a antibióticos.
• Vulnerabilidade do dereito á intimidade como consecuencia do coñecemento do xenoma dunha persoa e da posibilidade de coñecer se esa persoa pode ou non padecer enfermidades.

Biorremediación: Exemplo Práctico

A bacteria Deinococcus radiodurans, que é resistente á radioactividade, foi modificada con xenes procedentes dunha cepa de Escherichia coli resistente ao mercurio para reducir os niveis de mercurio en zonas contaminadas con radioactividade pola fabricación e a proba de armas nucleares.