Unidad 4 · Manipulación genética

Las herramientas moleculares: ADN recombinante, enzimas de restricción y PCR

Manipular genes suena a ciencia ficción, pero se reduce a tres verbos muy concretos: cortar, pegar y copiar ADN. Este artículo explica las herramientas que hacen esas tres cosas —las tijeras moleculares, el pegamento, los vehículos y la fotocopiadora de genes— porque son la base común de la insulina de laboratorio, los transgénicos y los diagnósticos genéticos.

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Ilustración editorial de una doble hélice de ADN siendo cortada y unida a un plásmido circular, junto a tubos de laboratorio que sugieren la amplificación por PCR, en tonos pastel teal y lavanda.
Cortar el ADN en un punto exacto, insertar un gen en un anillo de ADN bacteriano y copiarlo millones de veces: tres operaciones que sostienen casi toda la biotecnología moderna.

En la ingeniería genética el objetivo es tomar un gen —una instrucción escrita en ADN— y hacer que una célula lo lea y fabrique la proteína correspondiente. Para lograrlo hacen falta herramientas que trabajen sobre una molécula invisible, más delgada que cualquier hilo. La biología resolvió el problema tomando prestadas herramientas que las propias bacterias ya usaban. En este artículo veremos dos tecnologías complementarias: la del ADN recombinante, que corta y pega genes, y la PCR, que los copia en cantidades enormes.

1. La tecnología del ADN recombinante

Se llama ADN recombinante a una molécula de ADN construida artificialmente uniendo fragmentos de distinto origen: por ejemplo, un gen humano insertado dentro del ADN de una bacteria. "Recombinante" significa, literalmente, que se han combinado trozos que en la naturaleza nunca habrían estado juntos.

Construirlo requiere cuatro elementos que iremos presentando: unas tijeras (las enzimas de restricción), un vehículo (el plásmido), un pegamento (la ADN ligasa) y una célula que reciba el resultado (la bacteria transformada).

Las tijeras: enzimas de restricción

Una enzima de restricción es una proteína que reconoce una secuencia específica de bases del ADN y lo corta justo en ese punto. No corta en cualquier lugar: cada enzima "lee" una palabra corta de ADN —por ejemplo GAATTC— y solo actúa donde encuentra exactamente esa secuencia. Las bacterias las producen de forma natural para destruir el ADN de los virus que las infectan; la biotecnología las aprovecha como bisturís de precisión.

Muchas enzimas de restricción no cortan las dos hebras a la misma altura, sino de forma escalonada. Eso deja unos pocos nucleótidos sin aparear que sobresalen en cada extremo: son los extremos cohesivos (o "pegajosos"). Como sobresalen bases complementarias, dos fragmentos cortados por la misma enzima pueden volver a encajar entre sí, aunque provengan de organismos distintos. Ese detalle es la clave de todo el método.

El vehículo: el plásmido

Para que un gen viaje hasta el interior de una bacteria necesita un transporte. Ese transporte suele ser un plásmido: una pequeña molécula de ADN circular, independiente del cromosoma bacteriano, que las bacterias poseen de forma natural y que se replica por su cuenta. El programa lo describe como un "vehículo de ADN circular". En términos generales, cualquier estructura que transporte e introduzca ADN en una célula receptora se llama vector; el plásmido es el vector más usado, pero también se emplean virus modificados.

Un plásmido útil para clonar no es un anillo cualquiera: lleva rótulos que lo hacen manejable. Casi siempre incluye tres regiones que conviene reconocer.

Origen de replicación Gen de resistencia (marcador de selección) Sitio de inserción (gen de interés) Plásmido ADN circular
Figura 1. Un plásmido para clonar lleva tres regiones clave: el origen de replicación (le permite copiarse dentro de la bacteria), el gen de resistencia a un antibiótico —el marcador de selección— y el sitio de inserción, cortado por una enzima de restricción, donde se coloca el gen de interés.

El marcador de selección merece una mención aparte, porque es fácil de olvidar. La transformación no es perfecta: de todas las bacterias del cultivo, solo unas pocas incorporan el plásmido. El gen de resistencia a un antibiótico resuelve el problema: si después se cultivan las bacterias en presencia de ese antibiótico, solo sobreviven las que recibieron el plásmido. Así se identifican y seleccionan sin ambigüedad las células modificadas.

El pegamento: la ADN ligasa

Una vez que el gen de interés y el plásmido han sido cortados por la misma enzima de restricción, sus extremos cohesivos se aparean por complementariedad de bases. Pero ese emparejamiento es todavía frágil: falta sellar la unión. De eso se encarga la ADN ligasa, una enzima que forma los enlaces covalentes que cierran de manera definitiva la cadena, uniendo el gen y el plásmido en una sola molécula: el plásmido recombinante.

La entrega: la transformación

El plásmido recombinante se introduce entonces en una bacteria —típicamente Escherichia coli—. La incorporación de ADN externo por una bacteria se llama transformación. Aquí ocurre lo más elegante del método: la bacteria trata al plásmido como si fuera propio y, cada vez que se divide, lo copia junto con su gen insertado. Como una bacteria se multiplica hasta millones de veces en pocas horas, se obtienen millones de copias idénticas del gen. A esa multiplicación se le llama clonación de un gen o clonación molecular.

1. Corte ADN donante gen enzima de restricción → extremos cohesivos plásmido (cortado) 2. Unión (ADN ligasa) gen insertado plásmido recombinante la ligasa sella la unión 3. Transformación bacteria recibe el plásmido 4. Clonación se multiplica → millones de copias
Figura 2. Construcción del ADN recombinante paso a paso. La misma enzima de restricción corta el ADN donante y el plásmido, dejando extremos cohesivos complementarios (1); la ADN ligasa los une en un plásmido recombinante (2); la bacteria incorpora ese plásmido por transformación (3) y, al dividirse, lo copia junto con el gen, produciendo millones de copias idénticas: clonación del gen (4).

2. La PCR: la fotocopiadora de ADN

La técnica del ADN recombinante usa células vivas para copiar un gen. La PCR —sigla de reacción en cadena de la polimerasa, del inglés Polymerase Chain Reaction— hace algo parecido pero sin bacterias, directamente en un tubo de ensayo (in vitro). Inventada por Kary Mullis en 1983, permite tomar un fragmento de ADN y amplificarlo hasta obtener millones o miles de millones de copias en un par de horas. Es, en esencia, una fotocopiadora molecular.

En el tubo se colocan cuatro ingredientes: el ADN que se quiere copiar (el molde), los partidores o primers —trozos cortos de ADN que marcan dónde empieza y dónde termina la región a copiar—, los nucleótidos sueltos (las "letras" con que se construye el ADN nuevo) y una enzima especial, la Taq polimerasa. Después, la máquina (un termociclador) repite un ciclo de tres pasos una y otra vez, cambiando la temperatura.

Los tres pasos de cada ciclo

  1. Desnaturalización (~94 °C): el calor rompe los puentes que unen las dos hebras de la doble hélice y las separa. Ahora cada hebra puede servir de molde.
  2. Hibridación (~55 °C): al bajar la temperatura, los partidores se unen (se aparean) a la zona complementaria de cada hebra, señalando el punto de inicio de la copia.
  3. Extensión (~72 °C): la Taq polimerasa parte desde cada partidor y sintetiza la hebra nueva, añadiendo nucleótidos uno a uno hasta completar la copia.

¿Por qué una enzima tan particular? Porque el paso de desnaturalización somete la mezcla a casi 100 °C, temperatura que destruiría a la mayoría de las proteínas. La Taq polimerasa proviene de Thermus aquaticus, una bacteria que vive en aguas termales, y es termoestable: resiste el calor sin dañarse. Gracias a eso puede seguir trabajando ciclo tras ciclo sin necesidad de reponerla.

Desnaturalización ~94 °C se separan las hebras Hibridación ~55 °C se unen los partidores Extensión ~72 °C Taq Taq la Taq sintetiza la nueva hebra el ciclo se repite 25–35 veces Cada ciclo duplica el número de copias 1 2 4 8 …
Figura 3. El ciclo de la PCR. Cada vuelta pasa por tres temperaturas —separar las hebras (~94 °C), unir los partidores (~55 °C) y sintetizar con la Taq polimerasa (~72 °C)— y luego se repite. Como cada ciclo duplica lo copiado (1 → 2 → 4 → 8 …), el crecimiento es exponencial: tras 30 ciclos, de una molécula se obtienen más de mil millones.

Dos herramientas, un mismo propósito

El ADN recombinante y la PCR resuelven necesidades distintas y a menudo se usan juntas. La PCR permite obtener rápidamente muchas copias de un gen de interés para tener material de partida; la tecnología del ADN recombinante permite insertar ese gen en un plásmido y hacer que una célula lo lea y fabrique su proteína. La siguiente tabla resume las diferencias.

ADN recombinante y PCR comparados
 Tecnología del ADN recombinantePCR
¿Qué hace?Corta y pega genes para combinarlosCopia (amplifica) un fragmento de ADN
¿Dónde ocurre?Dentro de células vivas (bacterias)En un tubo, in vitro
Herramientas claveEnzimas de restricción, plásmido, ADN ligasaPartidores, nucleótidos, Taq polimerasa
ResultadoADN recombinante clonado en bacteriasMillones de copias del mismo fragmento

Juntas, estas dos herramientas son la base común de buena parte de la biotecnología actual:

Glosario

Términos clave del artículo
TérminoDefinición breve
Enzima de restricciónProteína que reconoce una secuencia específica del ADN y lo corta en ese punto, dejando extremos que pueden volver a unirse.
Extremos cohesivosPuntas de ADN con bases desapareadas que sobresalen y encajan por complementariedad con otro fragmento cortado por la misma enzima.
PlásmidoPequeña molécula de ADN circular, independiente del cromosoma bacteriano, usada como vector.
VectorVehículo (plásmido o virus) que transporta e introduce un fragmento de ADN en una célula receptora.
ADN ligasaEnzima que sella covalentemente dos fragmentos de ADN, cerrando el ADN recombinante.
TransformaciónIncorporación de ADN externo (un plásmido) por una bacteria, que lo replica al dividirse.
Clonación molecularObtención de muchas copias idénticas de un gen al multiplicarse las bacterias que lo contienen.
Marcador de selecciónGen (p. ej. de resistencia a un antibiótico) que permite identificar las células que sí recibieron el ADN.
Taq polimerasaADN polimerasa termoestable que sintetiza las nuevas hebras en la PCR sin dañarse por el calor.