Introducción

Las pruebas de ADN y la biología molecular avanzan a pasos agigantados. Ella tiene múltiples aplicaciones en muchos campos y usos como en farmacología, ingeniería genética en la prevención de enfermedades, en aumentar el crecimiento agrícola, en la detección de enfermedades y delitos (ciencia forense), etc.

Algunos campos que han mostrado un crecimiento notable debido a los avances en la tecnología de ADN incluyen: forense, bioinformática, farmacología y nanotecnología; arqueología y antropometría; tecnología de ADN en medicina forense.

Breve reseña del ADN

El ADN es único. Debido a que es único, la capacidad de examinar el ADN encontrado en una escena del crimen es una herramienta forense muy útil. Los métodos comunes utilizados para identificar y describir el perfil de ADN incluyen: polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) y perfiles de repetición en tándem corto (STR).

Polimorfismo de longitud de fragmento de restricción (RFLP)

En RFLP, el ADN se corta en segmentos de longitudes variables por una enzima, luego los segmentos se separan en función del tamaño utilizando una técnica llamada electroforesis. Los fragmentos de ADN de una longitud particular se transfieren a una membrana de nylon. Se combinan con fragmentos de ADN marcados radiactivamente de tal manera que solo los fragmentos que son idénticos se pegan entre sí. El exceso de fragmentos radiactivos se elimina por lavado y se toma una radiografía de los fragmentos restantes.

 

La electroforesis es esencialmente aplicar corrientes positivas y negativas a una base de gel y dejar que el ADN migre al polo positivo (ya que está cargado negativamente). Los fragmentos etiquetados se separan en función de su tamaño. Esto da una imagen de cuál de los fragmentos etiquetados.

Perfil corto de repetición en tándem (STR)

El perfil corto de repetición en tándem (STR) implica el uso de una enzima para hacer muchas copias de una pequeña sección del ADN. Esta sección luego se corta en pedazos por otra enzima, y ​​se separa por electroforesis. Luego, los fragmentos se visualizan con una mancha plateada, con el patrón de bandas claras y oscuras que se ve característico para un individuo.

El ADN en bioinformática

La bioinformática consiste en la manipulación y búsqueda de los datos de la secuencia del ADN. El desarrollo de las técnicas para almacenar y buscar secuencias de ADN genera avances en el desarrollo de software de los ordenadores. Esto se traduce en muchas aplicaciones, especialmente algoritmos de búsqueda de fases, aprendizaje automático y teorías de bases de datos. La búsqueda de fases o algoritmos de coincidencias, que buscan la ocurrencia de una secuencia de letras dentro de una secuencia de letras mayor, se desarrolló para buscar secuencias específicas de nucleótidos. En otras aplicaciones, como editores de textos, incluso algoritmos simples pueden funcionar. Mas aún, las secuencias de ADN pueden generar que estos algoritmos presenten un comportamiento de erróneo, debido al bajo número de caracteres.

El problema relacionado del alineamiento de secuencias persigue identificar secuencias homólogas y localizar mutaciones específicas que las diferencian. Estas técnicas, fundamentalmente el alineamiento múltiple de secuencias, se utilizan al estudiar las relaciones filogenéticas y la función de las proteínas. Las colecciones de datos que representan secuencias de ADN del tamaño de un genoma, tales como las producidas por el Proyecto Genoma Humano, son difíciles de usar sin anotaciones, que marcan la localización de los genes y los elementos reguladores en cada cromosoma. Las regiones de ADN que tienen patrones asociados con genes que codifican proteínas – o ARN – pueden identificarse por algoritmos de localización de genes, lo que permite a los investigadores predecir la presencia de productos génicos específicos en un organismo incluso antes de que haya sido aislado experimentalmente.

La primera molécula bifacial puede invadir el ADN o ARN de doble cadena. Los científicos utilizan la crio-EM para capturar fotogramas congelados del cerco y carga de la molécula en el ADN. La nueva nanoplataforma de ADN proporciona agentes anticancerígenos a tumores resistentes a múltiples fármacos.

El ADN y la biotecnología.

En las últimas décadas ha habido un rápido progreso en el proyecto del genoma humano y las biotecnologías. Estos avances dan como resultado muchos conjuntos de datos complejos asociados con un conocimiento profundo. Por ejemplo, secuencias genómicas de muchas especies, perfiles de expresión de micromatrices de diferentes líneas celulares, polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) o mutaciones en el genoma humano, etc.

La Biotecnología se define como un área multidisciplinaria, que emplea la biología, química y procesos varios, con gran uso en agricultura, farmacia, ciencia de los alimentos, ciencias forestales y medicina. Probablemente el primero que usó este término fue el ingeniero húngaro Karl Ereky, en 1919.

Una definición de biotecnología aceptada internacionalmente es la siguiente. La biotecnología se refiere a toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos.

La biotecnología, comprende investigación de base y aplicada que integra distintos enfoques derivados de la tecnología y aplicación de las ciencias biológicas; tales como biología celular, molecular, bioinformática y microbiología marina aplicada. Se incluye la investigación y desarrollo de sustancias bioactivas y alimentos funcionales para bienestar de organismos acuáticos; diagnóstico celular y molecular; y manejo de enfermedades asociadas a la acuicultura, toxicología y genómica ambiental; manejo ambiental y bioseguridad asociado al cultivo y procesamiento de organismos marinos y dulceacuícolas; biocombustibles, y gestión y control de calidad en laboratorios.

ADN en farmacología y nanotecnología.

Las nanoestructuras tridimensionales pueden contener y liberar medicamentos y regular el plegamiento de proteínas. Estos tienen un potencial definido en la terapia génica. La terapia génica implica el uso de pequeñas moléculas que transportan la enzima o medicamento correctivo al gen defectuoso exacto e identifican y corrigen. Los nanotubos de ADN se pueden utilizar en la terapia génica. Por lo general, el ADN viral se usa como el vehículo que va y se introduce en un gen extraño. Esto se llama transfección.

ADN en arqueología y antropometría.

El análisis del ADN extraído de especímenes arqueológicos se puede utilizar para abordar cuestiones antropológicas. Esto ayuda a rastrear la evolución del ADN, los patrones migratorios y la evolución de las especies a lo largo de los siglos.

Hablemos del ADN

El ADN es la sigla empleada para el Ácido DesoxiriboNucleico. Este corresponde al material genético que está presente en cada célula de los organismos vivos. Está presente en algunos virus (otros virus tienen ARN), algas, plantas, árboles, animales y el hombre. El ADN se forma por cuatro nucleótidos (letras) que son Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Timina (T). Esta información se encuentra en el núcleo de la célula y es lo que conocemos como genoma. Una característica de gran interés es que las bases del ADN son las mismas en todos los organismos vivos, pero varía el orden en que se disponen estas letras y la cantidad de ellas presentes en el núcleo. Es así que los virus tienen muy poco ADN comprado con el hombre.

Dentro del ADN hay diferentes funciones, algunas letras (secuencias) son responsables que existan los genes. Por ejemplo, la insulina es una proteína cuya información se encuentra en el núcleo. Del total del ADN de un organismo, se cree que sólo un 20% es funcional, es decir está involucrado en generar proteínas o cumplir una función en la célula. A medida que se vaya descifrando un mayor número de genomas será posible conocer la función de las diferentes partes del genoma.

Ahora hablemos del ADNr o ADN recombinante.

El año de 1970 marca una etapa importante en la historia de la biotecnología: el comienzo de la manipulación enzimática del material genético y, por consiguiente, la aparición de la biotecnología moderna, que constituye la más reciente evolución de la manipulación genética. Los procedimientos que se utilizan reciben el nombre de métodos del ADN recombinante o clonación molecular del ADN.

Con herramientas de la biología molecular (enzimas de restricción) es posible tomar un fragmento pequeño de ADN de un organismo (por ejemplo, bacteria) e insertarlo en el ADN (genoma) de una planta. Eso se conoce con el nombre de tecnología del ADNr (de 2 o más fuentes diferentes).

Ingeniería Genética

La ingeniería genética es la tecnología que permite tener ADNr. La ingeniería genética puede definirse como; la manipulación deliberada de la información genética, con miras al análisis genético, o al mejoramiento de una especie. La generación del ADNr puede tener diferentes fines, el más común es determinar la función o rol que tendría un gen en un organismo. Por ejemplo, si asumimos que tenemos un fragmento de ADN; y creemos que es responsable de la producción del color azul en flores, podemos insertar ese fragmento en una planta que produce flores blancas. Si al dejarla crecer esta planta genera flores azules, entonces sabremos que ese gen es el responsable de conferir el color azul.

Aplicaciones de la ingeniería genética

Las aplicaciones más comunes de esta tecnología la encontramos en el área de la farmacología. Muchas proteínas, que son necesarias para el funcionamiento del hombre (por ejemplo, insulina, en el caso de diabéticos); se pueden producir en microorganismos a gran escala y bajo costo. Una ventaja enorme es que por esta metodología tendremos la insulina humana, con una gran pureza. Hoy en día se sintetizan más de 200 fármacos por medio de ADNr.

La ingeniería genética tiene un gran potencial en las diferentes áreas de la biotecnología. Ya mencionábamos el caso de la insulina, beneficio directo para el hombre. Un área de uso y que representa sólo el 10% de la tecnología del ADNr, es en el sector agrícola. Es posible obtener plantas que posean una característica de interés. Por ejemplo, plantas que producen una toxina para insectos, arroz enriquecido con vitamina (arroz dorado); cultivos que en el futuro sean capaces de actuar como biorreactores y producir fármacos, entre otras aplicaciones. Desde 1996, se están comercializando plantas genéticamente modificadas en el mundo, especialmente en Estados Unidos, Argentina, Brasil y Canadá. No así en Chile, donde no está permitido el uso de plantas transgénicas para alimentación humana o animal.

Derivaciones de las Biotecnologías

Esto ha dado a luz a un nuevo campo de Bioinformática y tiene una gran utilidad en la industria farmacéutica. Las dos técnicas interesantes que han surgido incluyen la tecnología de secuenciación del genoma y la tecnología de chip de ADN.

Se estima que el genoma humano tiene alrededor de 30000 genes.  Esto, sorprendentemente, solo representa alrededor del 3% del genoma. La expresión de estos genes, es decir, la cantidad de productos de proteína que se elaborarán en una célula. Está regulada estrictamente para cumplir con los requisitos de células específicas; y para que las células respondan a los cambios en su entorno. Un objetivo central de la biología molecular es comprender la regulación de la síntesis de proteínas.

El ADN contiene una gran cantidad de secuencias no codificantes y no funcionales. Estos permanecen apagados y contienen genes mutados o aquellos insertados de otros organismos, por ejemplo, virus y bacterias.

Gran parte de este ADN que no codificaba ninguna proteína se denominaba hasta la fecha ADN basura. Se ha encontrado que puede haber señales e interruptores presentes en este ADN basura. Esto ha allanado formas de descubrir enfermedades humanas a través de las edades.

Usos de las tecnologías del ADN

Comida y agricultura

La tecnología de ADN recombinante tiene usos principales que hicieron posible la fabricación de nuevas enzimas.  Ellas son adecuadas en condiciones para el procesamiento específico de alimentos. Varias enzimas importantes, incluidas las lipasas y las amilasas, están disponibles para las producciones específicas. Esto debido a sus funciones y aplicaciones particulares en las industrias alimentarias.

Salud y enfermedades

La tecnología de ADN recombinante tiene un amplio espectro de aplicaciones para tratar enfermedades y mejorar las condiciones de salud. Las siguientes secciones describen los avances importantes de la tecnología de ADN recombinante para la mejora de la salud humana.

Investigación del metabolismo de las drogas.

El sistema complejo de enzimas metabolizadoras de medicamentos involucradas en el metabolismo de los medicamentos. Esto es crucial para investigar la eficacia y los efectos adecuados de los medicamentos. Los enfoques de ADN recombinante han contribuido recientemente a su papel a través de la expresión heteróloga, donde la información genética de la enzima se expresa in vitro o in vivo, a través de la transferencia de genes.