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sábado, 7 de diciembre de 2019

CRISPR/Cas9, una poderosa herramienta para los transgénicos

En el anterior post comentamos las diferentes técnicas convencionales de obtención de organismos transgénicos, aunque cada día se avanza más en la investigación y surgen nuevas técnicas revolucionarias sobre la modificación dirigida del genoma. Si bien lo hemos ido nombrando a lo largo de las publicaciones anteriores de este blog, hoy os hablaremos de la tecnología de edición génica CRISPR/Cas9, así como de su origen y aplicaciones en el campo de los alimentos transgénicos. 

¿Qué es CRISPR/Cas9 y de dónde surgió? 

La tecnología CRISPR/Cas9 es una novedosa herramienta molecular que se utiliza para modificar de una forma dirigida y específica regiones del genoma de las células. El nombre proviene de las siglas en inglés Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, lo que en español sería “Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente interespaciadas”. La segunda parte del nombre (Cas9) está relacionado con un conjunto de proteínas encargadas de cortar el ADN (nucleasas), por lo que se les llamó CRISPR associated system, es decir, «sistema asociado a CRISPR». 

Ahora bien, esta tecnología surgió a partir del hecho observado en 1987 de que algunos microorganismos eran capaces de defenderse de algunas infecciones víricas. Se llegó a la conclusión de que estos microorganismos poseían unas enzimas (un tipo de proteínas) capaces de diferenciar entre el material genético propio y el del virus que las infectaba, destruyendo este último. Cuando se investigó más a fondo, se encontraron unas secuencias en su genoma muy repetidas que eran palindrómicas (que se leen igual al derecho que al revés) y que no poseían una función aparente. Estas repeticiones estaban separadas entre sí por unas secuencias que actuaban como “espaciadores”. Delante de todas estas secuencias había una región a la que se denominó “líder”. Por lo tanto, el nombre CRISPR hace referencia a estas secuencias palindrómicas repetidas y separadas regularmente. Además, muy cerca de esta construcción se encuentran los genes que codificaban las proteínas Cas. Esta disposición se puede apreciar en la siguiente imagen, que muestra las secuencias CRISPR y Cas de la bacteria Escherichia coli.
La relación de esta construcción con la resistencia a virus reside en que los espaciadores que separan las secuencias palindrómicas son fragmentos de ADN de anteriores virus que intentaron infectar al microorganismo. Cuando las secuencias CRISPR son transcritas a ARN, las proteínas Cas cercanas las cortan y se asocian a uno de los fragmentos. En el caso de que un virus infecte de nuevo al microorganismo, los complejos formados por Cas y el ARN son capaces de reconocer el ADN viral por complementariedad (el ADN viral se “pega” al ARN). El resultado de esta interacción es la inactivación y posterior degradación del material genético exógeno. La célula es capaz incluso de
incorporar alguno de los fragmentos del ADN del virus como un nuevo espaciador, por lo que la inactivación futura de ese mismo virus será más efectiva tanto para el microorganismo como para su descendencia. Es como si fuera un sistema inmune propio de la célula que se adapta y recuerda infecciones pasadas.

No fue hasta el año 2012 en el que se presentaron evidencias de que esta característica biológica podía convertirse en una herramienta molecular de utilidad en el laboratorio.

¿Cómo funciona? 

La bondad de esta técnica es que se puede sustituir el espaciador por cualquier otra secuencia de interés, por lo que en lugar de cortar el ADN de un virus infectivo puede cortar en una región específica del genoma celular. Podemos diseñar una molécula de ARN (ARN guía) a conciencia para que sea complementaria a una secuencia del ADN celular, la cual una vez en el interior del núcleo sea capaz de asociarse con la nucleasa Cas9. El complejo Cas9/ARN guía encontrará y reconocerá la secuencia de ADN propio, momento en el que realiza un corte en ambas cadenas.


Ahora bien, la célula se da cuenta de que el ADN ha sufrido un corte e intenta repararlo, por medio de uno de los siguientes mecanismos de reparación: 

  • Unión de extremos no homólogos (NHEJ). La célula intenta reparar la ruptura añadiendo o quitando nucleótidos de una de las cadenas en ambos extremos hasta que las cadenas sean compatibles en algún punto y se unan, ya que necesita un molde en el que apoyarse. Una vez que se emparejan, la maquinaria celular es capaz de repararlas y unirlas. Durante este proceso se generan inserciones o deleciones de unos pocos nucleótidos (indel), por lo que si afecta a un gen es muy probable que altere su expresión o que directamente deje de ser funcional. 
  • Reparación directa por homología (HDR). En este caso, la ruptura de las cadenas se soluciona utilizando un fragmento de ADN donante que sea complementario a ambos extremos. La célula reconoce esta interacción y reemplaza la región dañada por la molécula donante.

¿Para qué sirve? 

Las aplicaciones de esta tecnología son casi inimaginables, ya que permite alterar, editar o corregir el genoma de cualquier célula de una manera rápida, fácil, barata y con mucha precisión. Hemos visto que según se repare el corte por un mecanismo u otro se dan diferentes resultados. 

Los indels producidos por la NHEJ pueden ser utilizados para estudiar la función de los genes al crear modelos celulares o animales, ya que su inactivación permite ver los efectos que tenía el gen en el organismo cuando era funcional. Del mismo modo, puede utilizarse para inactivar genes defectuosos de las células que tengan efectos perjudiciales en el organismo. 

Si se usa esta técnica junto con la adición de cadenas de ADN ajenas, es posible sustituir secuencias de ADN del genoma por otras que nos interesen. Dado que durante la HDR se utiliza un fragmento de ADN donante, es posible diseñar secuencias de ADN “a la carta” para que sean complementarias con la zona que va a ser cortada y que además incorporen secuencias específicas. 

Estas nuevas secuencias incorporadas al genoma podrían curar enfermedades genéticas al incorporar la versión funcional de un gen, aunque también pueden utilizarse secuencias que expresen genes con funciones adicionales a los que tenía el organismo. Es aquí donde entran en juego los alimentos transgénicos, ya que esta tecnología permite incorporar al genoma secuencias de ADN procedentes de otras especies para dotar de nuevas capacidades a los organismos modificados. CRISPR/Cas9 ha sido probada en muchos cultivos y está dando muy buenos resultados, ya sea aumentando los rendimientos de los cultivos de arroz o modificando el color de las zanahorias. Ya no solo alimentos, sino que los seres vivos modificados por CRISPR/Cas9 serían capaces de producir otras muchas sustancias de gran importancia para sociedad de un forma ecológica y sostenible: biocombustibles, materiales y químicos, medicamentos, etc.

Una de las noticias más actuales con más repercusión sobre el CRISPR/Cas9 ha sido la de He Jiankui, un investigador chino que aseguró haber creado los primeros bebes usando la herramienta de edición genética CRISPR, para que los niños sean inmunes al virus del VIH, la viruela y el cólera. Sin embargo, esta noticia se ha topado con el rechazo unánime de toda la comunidad científica, ya que no está permitida la manipulación genética de embriones humanos.

Francisco Mojica, el padre de CRISPR 

El descubrimiento de las secuencias repetidas responsables de la inmunidad adaptativa de los microorganimos fue obra de Francisco Mojica, profesor del departamento de Fisiología, Genética y Microbiología de la Universidad de Alicante (España). Mojica trabajó en los años 90 con estas secuencias y las bautizó como CRISPR, pero fueron las investigadoras Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudn las que en 2012 utilizaron este descubrimiento para llevar a cabo la tecnología de edición genética de cualquier ser vivo.

A pesar de este gran descubrimiento, no le ha sido concedido el Premio Nobel de Medicina. No obstante, ha recibido otros galardones de gran importancia en el mundo científico, destacando el Premio Albany de medicina en Estados Unidos y el Plus Alliance a la Innovación Global, incluyendo el de ser nombrado hijo predilecto de su ciudad natal, Elche. El motivo por el que no se le ha concedido todavía el Premio Nobel podría residir en los riesgos de esta tecnología. La técnica de edición genética CRISPR/Cas9 es muy reciente, por lo que todavía debe investigarse más a fondo para perfeccionarla. 

Bibliografía

miércoles, 4 de diciembre de 2019

Técnicas convencionales para la producción de transgénicos

Como ya se ha comentado en este blog, el ser humano lleva desde siempre modificando las características de animales y cultivos mediante la crianza selectiva o la selección artificial de los organismos más ventajosos con el fin de obtener mejores rasgos o mantenerlos en la siguiente generación de individuos. Gracias al avance en la investigación científica en torno a la Biotecnología y la Ingeniería Genética a lo largo de los años, se han desarrollado múltiples técnicas que han permitido la manipulación dirigida del material genético de un organismo para conseguir que desarrolle características deseadas. 

Hace años, las técnicas de modificación genética clásicas o directas consistían en conseguir organismos mutantes, es decir, con mutaciones o cambios en su ADN usando sustancias o radiaciones capaces de interactuar con el material genético y modificarlo, para así conseguir que desarrollaran las características deseadas. Este procedimiento resultaba bastante costoso y daba pocos resultados, ya que es muy difícil modificar el gen o los genes aleatoriamente hasta obtener el resultado deseado, por no hablar de que se producían otras muchas mutaciones en distintas regiones del genoma que podían producir efectos indeseados. 

Este problema se solucionó tras el desarrollo de las técnicas de la genética reversa, en la cual se modifica específicamente una o varias secuencias del genoma y se observa su efecto en el organismo. Gracias a la Ingeniería Genética se ha conseguido dar un paso más, permitiendo aislar, fraccionar y ensamblar diferentes moléculas de ADN en una sola construcción de ADN recombinante, que no es más que una molécula híbrida que contiene el fragmento de ADN que será expresado por el organismo unido a otra molécula de ADN vector que actúa como vehículo. Todos estos avances han hecho posible la transgénesis, el procedimiento biotecnológico por el que se introduce un gen foráneo (transgén) en el genoma de un ser vivo. Normalmente se intenta integrar en sus gametos para que ese transgén pueda ser heredado por su descendencia. Dentro de la transgénesis, podemos diferenciar distintas técnicas y procedimientos más utilizados dependiendo de si el organismo que se va a modificar es de origen animal o vegetal.

Obtención de plantas transgénicas

Estas técnicas aprovechan la totipotencia y versatilidad de las células vegetales, pudiendo transformar las semillas o células de tejidos diferenciados de la planta y desarrollar individuos completamente transgénicos. Las técnicas convencionales más comunes son las siguientes: 

  • Transformación genética mediada por Rhizobium radiobacter (antes conocida como Agrobacterium tumefaciens). R. radiobacter es una bacteria del suelo muy común que es capaz de infectar células vegetales en la naturaleza y producir tumores. Esto es debido a que la bacteria transfiere el plásmido Ti (una molécula circular de ADN) a la célula vegetal y este se integra en su genoma, provocando su división celular descontrolada. Esta capacidad de integrarse en el genoma vegetal del plásmido Ti ha sido muy utilizada por los investigadores ya que se pueden sustituir los genes de virulencia de la bacteria por los genes que se desee, como genes de resistencia a insectos. Se suele sumergir las flores de una planta en una solución con la bacteria que contiene el plásmido para obtener semillas transgénicas.

  • Microinyección. Consiste en la introducción de la construcción genética en el núcleo de una única célula utilizando una aguja microscópica de vidrio llamada micromanipulador. Es una
    técnica que permite controlar la cantidad de transgén que se inyecta en la célula, así como seleccionar una única célula. Este procedimiento se puede llevar a cabo tanto en células animales como vegetales, pero estas últimas presentan una pared celular que dificulta el proceso y requiere que se utilizan agujas más gruesas.
  • Electroporación. Se basa en la aplicación de pulsos eléctricos de alto voltaje sobre células, los cuales ocasionan poros reversibles en la membrana celular y el núcleo. A través de los poros generados pasará la construcción que se encuentra en la disolución. Es una técnica efectiva y simple, pero deben usarse células vegetales sin pared celular (protoplastos).

  • Biolística o bombardeo con microproyectiles. Se trata de un método común que consiste en la preparación de microproyectiles de oro o tungsteno recubiertos de moléculas de ADN, los cuales se aceleran a alta velocidad y son proyectados hacia las células vegetales. Estas partículas son capaces de atravesar la pared celular y una vez dentro se separan e insertan en el genoma celular. Se utiliza un aparato llamado Pistola de partículas o Pistola de Genes. No obstante, esta técnica presenta algunas desventajas, ya que es muy costosa y puede producir daños en las células por la velocidad que alcanzan las partículas.

Obtención de animales transgénicos

Como se ha comentado, algunas de las técnicas utilizadas para obtención de plantas transgénicas también pueden utilizarse con células animales, pero existen otras destinadas exclusivamente a producir organismos más complejos que los del reino vegetal. Algunas de estas técnicas son las siguientes:

  • Microinyección pronuclear. Es un procedimiento similar al de plantas, pero en este caso se inyecta la construcción en uno de los pronúcleos de un ovocito fecundado, es decir, el núcleo proveniente del espermatozoide o el del óvulo tras ser fecundado. Este método es muy costoso e ineficaz, ya que requiere una preparación hormonal tanto de la hembra dadora de los óvulos como de la hembra en la que se desarrollará posteriormente el embrión, además de que el transgén se integrará en una zona del genoma que permita su correcta expresión y no interfiera con el resto de genes en un bajo porcentaje de las veces.
  • Vectores virales. Se utilizan virus recombinantes para introducir genes en el embrión. Aunque estos virus han sido muy estudiados para la terapia génica en humanos, los genes integrados por estos virus no se expresan o se expresan brevemente tras el nacimiento del individuo. Además, al tratarse de virus puede ponerse en duda su seguridad debido a su alta tasa de mutación.
  • Transferencia de genes mediada por esperma (SGMT). Es una técnica que aprovecha la habilidad intrínseca de los espermatozoides de unirse e internalizar ADN exógeno, el cual será transferido posteriormente al óvulo tras la fecundación. Se ha comprobado que el ADN internalizado no se integra al azar en el genoma del gameto, sino que lo hace en sitios específicos. Esta capacidad de los espermatozoides se descubrió en 1971, pero no fue hasta los años 90 cuando se mostró interés por ella. Ha demostrado ser eficaz tanto en animales pequeños como grandes y se considera que puede ser utilizada para todas las especies que se reproduzcan sexualmente por gametos.

  • “Gene targeting” o recombinación homóloga. El inconveniente algunas de las técnicas vistas hasta ahora es la inserción aleatoria de los transgenes en el genoma celular. Este problema se logra suplir mediante el “gene targeting” ya que el transgén se incorpora en las región del genoma de células madre embrionarias a la que es parcialmente complementaria, mediante el proceso que se conoce como recombinación homóloga. Podríamos decir que se intercambia un gen propio de la célula por otro ajeno que es parecido. Estas células transgénicas serán posteriormente introducidas mediante inyección en blastocistos (una fase del desarrollo de los embriones), dando lugar en un futuro a organismos quiméricos, es decir, organismos en los que parte de sus células son genéticamente distintas a las del resto del cuerpo. Una de las principales limitaciones de esta técnica es la disponibilidad de células madre embrionarias, puesto que actualmente solo se han obtenido este tipo de células del ratón.

Todas estas técnicas han sido y/o siguen siendo utilizadas para obtener organismos transgénicos. No obstante, la ciencia sigue evolucionando y cada vez son más las herramientas y técnicas que se descubren para poder modificar de forma específica el material genético de los seres vivos, con el fin de proporcionarles rasgos beneficiosos para la sociedad o eliminar aquellos que son desventajosos como podrían ser algunos tipos de enfermedades genéticas. Una de estas técnicas más novedosas y que está teniendo resultados asombrosos es la edición genética mediante CRISPR-Cas9, la cual será motivo de discusión en el próximo post.

Bibliografía

http://bioinformatica.uab.cat/base/documents/genetica_gen201516/portfolio/Trasg%C3%A9nicos2016_6_2P9_16_15.pdf
http://www.colvema.org/pdf/amg1.pdf
https://www.medigraphic.com/pdfs/revcubalnut/can-2011/can111k.pdf
https://www.researchgate.net/figure/Figura-1-La-genetica-directa-y-reversa-La-genetica-clasica-o-directa-se-basa-en-la_fig1_257364069
http://www.scielo.org.co/pdf/rfnam/v58n1/a01v58n1.pdf
https://www.lainter.edu.mx/blog/2018/03/05/metodos-de-transformacion-genetica-en-plantas/

miércoles, 13 de noviembre de 2019

¿Qué son las proteínas?

Las proteínas están formadas por unas subunidades llamadas aminoácidos. Existen 20 tipos de aminoácidos en la naturaleza, todos tienen el mismo esqueleto (el que se ve en la imagen) y solamente se diferencian en la parte que se encuentra en la cadena lateral (R en la imagen).


Estos 20 aminoácidos son las piezas que forman todas nuestras proteínas y tienen distintas propiedades entre ellos.

Las proteínas se forman al leer el ARNm en unos complejos dentro de la célula que se llaman ribosomas, este proceso de lectura en el que se pasa la información de las bases nitrogenadas a aminoácidos se llama traducción.



En la traducción, se leen las bases nitrogenadas en tripletes (también llamados codones), por lo que hay más de un triplete para cada aminoácido, para hacer la traducción se utiliza el código genético, que nos indica que triplete nos da cada aminoácido.
En esta imagen, los tripletes se leen desde el centro hasta la zona externa.
Tras la traducción, las proteínas son un montón de aminoácidos unidos de manera lineal, pero esta tira de aminoácidos no es funcional, por lo que necesita adoptar un correcto plegamiento para tener una forma que sí tenga actividad.

Y ¿todo esto para qué? ¿Qué funciones tienen las proteínas?

Las proteínas son unas moléculas muy importantes en los organismos porque tienen una gran variedad de funciones:
  • Transporte: hay muchas proteínas involucradas en el transporte dentro del organismo como la mioglobina (encargada de transportar oxígeno), la albúmina (se encuentra en la sangre y transporta hormonas, fármacos, etc.), el canal de potasio (es una forma de comunicación de la célula con el medio extracelular, esencial para el buen funcionamiento celular), etc.
  • Regulación y señalización: muchas proteínas se encargan de regular otros procesos, como los factores de transcripción (que favorecen que se expresen otros genes en la célula), la insulina (que sirve como comunicación entre las células y regula el metabolismo de la glucosa), etc.; y también actúan como señalizadores como, por ejemplo, las inmunoglobulinas (que son las señales que usa el cuerpo para avisar de que hay agentes patógenos en el cuerpo).
  • Movimiento: también hay proteínas involucradas en el movimiento del organismo (la actina y la miosina son proteínas esenciales dentro de la contracción muscular) o dentro de la propia célula (los microtúbulos son importantes para el transporte dentro de la célula y en la división celular).
  • Catálisis: además existen unas proteínas con una característica muy especial: actividad catalítica, esto las convierte en enzimas y les permite hacer una gran variedad de reacciones y funciones dentro de las células. Encontramos funciones tan variadas como polimerasas de ADN (encargadas de generar nuevo ADN en la célula), pepsinas (enzimas que rompen otras proteínas), lisozimas (son el sistema digestivo de la célula, se encarga de romper las cosas que ya no son útiles o los restos de organismos patógenos), etc.
  • Estructura: también son muy importantes a nivel estructural ya que algunas proteínas forman el soporte sobre el que se asientan algunas células, como el colágeno de la piel (responsable de mantener la piel tersa) o las histonas (que son las responsables de empaquetar el ADN en un tamaño mucho menor del que ocuparía estirado), etc.
Por todo esto, las proteínas son muy importantes dentro del organismo ya que tienen una gran variedad de funciones, se obtienen por un proceso complejo y tienen una regulación muy cuidada, ya que una mala regulación de las proteínas puede llevar a desarrollar algunas enfermedades.

lunes, 11 de noviembre de 2019

¿Qué es el ARN?

El ARN o ácido ribonucleico es una molécula formada por la repetición de nucleótidos.
Estos nucleótidos presentan un esqueleto formado por una pentosa ("azúcar", en este caso la ribosa), un grupo fosfato que permite la unión de cada monómero con otros y una base nitrogenada (uracilo, adenina, citosina o guanina).

En la mayor parte de organismos, el ARN es la forma del ADN que podemos encontrar fuera del núcleo, es decir, es el responsable de transmitir el mensaje que codifica el ADN y hacer que se transforme en algo funcional.

Al ser un derivado del ADN tienen muchas cosas en común, aunque también hay cosas en las que se diferencian:

Existen varios tipos de ARN:

  • ARN mensajero (ARNm): se origina a partir de transcribir el ADN, contiene la información que se traducirá para producir proteínas.
  • ARN transferente (ARNt): tiene una estructura peculiar, existen tantos tipos como aminoácidos ya que son los responsables de guiar los aminoácidos hasta el ribosoma, donde se pasa de ARNm a proteína. Las estructuras que tiene en forma de bucle es para permitir las interacciones con el sistema de traducción del ARNm.

  • ARN ribosómico (ARNr): junto a proteínas ribosómicas, forma parte de los ribosomas, que son orgánulos dedicados a la síntesis de proteínas. 


Los tres tipos de ARN están involucrados en el proceso que va del ADN hasta las proteínas, su función es esencial para el correcto funcionamiento celular.

sábado, 9 de noviembre de 2019

¿Qué es el ADN?



El ADN o ácido desoxirribonucleico es una molécula polimérica, es decir, formada por la repetición de una unidad mínima denominada nucleótido.


Estos nucleótidos presentan un esqueleto formado por una pentosa ("azúcar", en este caso la desoxirribosa), un grupo fosfato que permite la unión de cada monómero con otros y una base nitrogenada.
Estas bases nitrogenadas, gracias a los grupos nitrógeno forman enlaces, permitiendo lo que se conoce como complementación de bases. Hay cuatro bases nitrogenadas, que complementan entre sí: adenina (A) con timina (T) y guanina (G) con citosina (C).

Gracias a esta complementación, la molécula de ADN está formada por dos hebras, enrolladas de forma  dextrógira (hacia la derecha) y plectonémica (con enrollamiento sobre sí mismo).

La secuencia de estas bases en el ADN forma los genes gracias a una codificación en tripletes, de tres en tres  bases cada uno. El ADN contiene la información genética, que son las indicaciones para formar cada organismo,  esto es lo que permite crear a todos los seres vivos.

El ADN se encuentra en el interior de nuestras células y todas las células contienen la misma información genética, menos las de los órganos reproductores, pero ¿son iguales las células del cerebro a las del músculo?

A pesar de contener la misma información genética, cada célula tiene una función especializada por lo que solo necesita expresar una parte específica de las instrucciones (genes) que poseen todas las células.