La genética molecular

Es el campo de la biología que estudia la estructura y la función de los genes a nivel molecular. La genética molecular emplea los métodos de la genética y la biología molecular.
Se denomina de esta forma para diferenciarla de otras ramas de la genética como la ecología genética y la genética de poblaciones. Un área importante dentro de la genética molecular es el uso de la información molecular para determinar los patrones de descendencia y por tanto, la correcta clasificación científica de los organismos, lo que se denomina sistemática molecular, mientras que al establecimiento de relaciones de parentesco se llama filogenia molecular lo cual se diferencia con el método de genes que aparecen en el mundo y el universo.

 

Teoría sintética de la evolución

Una de las premisas en que se basa la teoría de Darwin de la evolución por selección natural es que los individuos transfieren rasgos a la siguiente generación.
D. fue contemporáneo de Mendel, quien dedujo leyes básicas de la herencia.

Hace más de 50 años los biólogos combinaron la genética mendeliana con la teoría de Darwin para formular una explicación amplia de la evolución que se conoce como teoría sintética.

La teoría sintética de la evolución explica la variación observada por Darwin entre la descendencia en términos de mutaciones y recombinaciones.

Consiste en:

Los seres vivos son prolíficos y sus descendientes presentan ligeras diferencias entre sí. Estas diferencias son útiles a la hora de buscar recursos para sobrevivir. Sólo lo hacen los más aptos (no mejores, eso es subjetivo), que heredan sus "ventajas" a sus hijos. Con el tiempo predominan individuos más aptos para determinado ambiente.

Pero esta teoría, publicada en 1859, no podía explicar el origen de la variación entre individuos. Con el nacimiento de la genética clásica (mendeliana), se descubre la función de los "genes" como responsables de las características fenotípicas, entonces se funde Darwinismo con genética y nace la teoría sintética, que dice que la variación observada proviene de mutaciones y recombinación de alelos.

La teoría de la evolución de Darwin

Uno de los libros que el joven Charles Darwin había escogido de compañía en su viaje era Principios de Geología, el autor del que era su amigo Charles Lyell (1797-1875). Lyell explicaba los cambios del pasado en la superficie de la tierra por la acción gradual de las mismas causas observables que en el presente actúan, es decir, defendía que el funcionamiento geológico no había cambiado y que iba con extrema lentitud. Darwin asumió este planteamiento de Lyell: los cambios biológicos en el pasado se explican por las mismas causas que actúan en el presente. Otro libro influyó en el joven pensamiento de Darwin, el Ensayo sobre el principio de población de Thomas Malthus (1776-1834), en el cual habla de la inevitable lucha por la vida y de la ventaja que en ésta tienen los individuos más bien dotados; de aquí emerge la célebre idea de la selección natural.

Es conocido que, independientemente de Darwin, el naturalista inglés Alfred Wallace (1823/1913), tras viajar por la Amazónica y otros lugares, llegó a las mismas conclusiones en los mismos años. La elevada calidad personal de ambos naturalistas evitó polémicas sobre quién fue el primero en establecer las ideas claves de la teoría de la evolución. En el año 1858 apareció una publicación conjunta: un artículo de Wallace sobre la evolución y un resumen de las ideas evolucionistas que Darwin exponía en su manuscrito El origen de las especies por medio de la selección natural, que no osó publicar hasta el 1859. Fue el mismo Wallace quién comenzó a utilizar la expresión darwinismo para designar este común conjunto de ideas.

La teoría evolutiva o darwinismo se concreta en los siguientes puntos o postulados:

1. Las formas de vida no son estáticas sino que evolucionan; las especies cambian continuamente, unas se originan y otros se extinguen.
2. El proceso de la evolución es gradual, lento y continuo, sin saltos discontinuos o cambios súbitos.
3. Los organismos parecidos se hallan emparentados y descienden de un antepasado común. Todos los organismos vivientes pueden remontarse a un origen único de la vida.
4. La selección natural es la llave, en dos fases, que explica todo el sistema.
   La primera fase es la producción de variabilidad: la generación de modificaciones espontáneas en los individuos.
   La segunda, la selección a través de la supervivencia en la lucha por la vida: los individuos mejor dotados, los que han nacido con modificaciones espontáneas favorables para hacer frente al medio ambiente van a tener más posibilidades de sobrevivir, de reproducirse y de dejar descendencia con estas ventajas.

Charles Darwin, en su libro de 1871 titulado El origen del hombre y sobre la selección en relación con el sexo, aplica directamente al homo sapiens las anteriores ideas evolucionistas. Obviamente, las teorías evolucionistas desencadenaron polémicas y violentos críticas; para mucha gente constituía uninsulto intolerable a la raza humana. Con el darwinismo, el ser humano ya no era un ser especial y diferenciado, sino, como el resto de los seres vivos, resultado de un mismo proceso vital.

Lamarck y la evolución biológica

La idea de que los seres vivos evolucionan proporcionó el marco conceptual que permitió entender el sentido de los nuevos conocimientos y explicaciones de geólogos y naturalistas, aunque los científicos del siglo XVIII no se mostraron demasiado inclinados por aceptarla. Entre los que la consideraron favorablemente se contaron Erasmus Darwin, abuelo de Charles, y Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon.

El más importante de los evolucionistas anteriores a Darwin fue el francés Jean-Baptiste de Monet, caballero de Lamarck, quien había estudiado medicina y botánica y, en 1793, ya renombrado taxónomo, fue designado profesor de zoología en el Jardin de Plantes de París. Lamarck había advertido una clara relación entre los fósiles y los organismos modernos. A partir de estas observaciones dedujo que los fósiles más recientes estaban emparentados con los organismos modernos. Esbozó una teoría de la evolución biológica que se puede sintetizar como sigue:

• Los individuos cambian físicamente durante su vida para adaptarse al medio que habitan;
• Los organismos adquieren caracteres que no tenían sus progenitores. Estos cambios o caracteres adquiridos se deben al uso o desuso de sus órganos;
• Los caracteres adquiridos se transmiten por herencia biológica a sus descendientes
• La sucesión de cambios adaptativos muestra una tendencia hacia complejidad y la perfección.

La teoría de Lamarck fue criticada con vehemencia por la comunidad científica de su época, principalmente por Cuvier, quien, además de ser un científico de renombre, ocupó el cargo de Inspector General de Educación en Francia. Este y sus contemporáneos insistían en que las especies habían sido creado de manera independiente y que eran inmutables. Para probarlo, hicieron varios experimentos. Uno de ellos consistió en amputar la cola a ratones, que, aún después de 20 generaciones de haber sido sometidos a tal cambio, producían descendencia con cola. En otras palabras, mostraron que los caracteres adquiridos por interacción con el medio (como la pérdida de cola) no se transmitían por herencia biológica. En esto, la visión de Lamarck, basada en el proceso de herencia de los caracteres adquiridos, no era adecuada, pero su intuición general de que las especies evolucionan resultó correcta.

Conceptos fundamentales

• Genotipo: Dotación genética del individuo para un determinado carácter o bien el conjunto total de genes que tiene el individuo. Ej.: AA, Aa, aa.
• Fenotipo: Expresión observable determinada por el genotipo, es decir, lo que se expresa y podemos ver. Ej.: Amarillo, verde, liso, rugoso.
• Alelo o alelomorfo: Cada una de las variantes génicas que determinan un carácter. Genes alelos son los que transmiten el mismo carácter. Generalmente uno es dominante (A) y otro recesivo (a).
• Alelo Dominante:Aquel que transmite un carácter que se manifiesta siempre. Se representa con una letra mayúscula. Ej.: A, L.
• Alelo Recesivo: Aquel que transmite un carácter que solamente se manifiesta si no está presente el alelo dominante. Se le representa con una letra minúscula, correspondiente a la del dominante. Ej.: a, l.
• Homocigótico o Puro: Individuo con el genotipo para un determinado carácter compuesto por dos alelos idénticos. Es decir, los gametos serán idénticos para ese carácter. Ej.: AA, aa, LL, VV. Cuando se estudian dos caracteres, diremos que es Dihomocigótico aquel que tenga los dos alelos idénticos para cada uno de los caracteres. Ej.: AALL (dihomocigótico dominante), aall (Dihomocigótico recesivo).
• Heterocigótico o Híbrido: Individuo que porta en el genotipo dos alelos distintos para un carácter concreto. Así pues, los gametos tendrán cada uno una variedad distinta de ese carácter. Ej.: Aa, Ll. Cuando se estudian dos caracteres, diremos que es Diheterocigótico aquel que tenga los dos alelos distintos para ambos caracteres. Ej.: AaLl.
• Generación Parental (P): Son los progenitores que se cruzan para obtener las siguientes generaciones ("Padres").
• Primera Generación Filial (F1): Descendientes resultado del cruce de individuos de la generación Parental ("Hijos").
• Segunda Generación Filial (F2): Descendientes resultado del cruce de individuos de la primera generación filial ("Nietos").

Leyes de Mendel

Primera ley de Mendel: Ley de la uniformidad.

Si se cruzan dos líneas puras que difieren en un carácter, la primera generación filial es uniforme y está formada por individuos idénticos que presentan solo uno de los caracteres alternativos paternos.
Mendel estudió el color de los guisantes y determinó que el color amarillo era dominante sobre el verde; por lo tanto el alelo A que da el color amarillo domina sobre el alelo a que da el color verde (A>a). Mendel cruzó individuos con genotipo AA x aa y fenotipo amarillo y verde respectivamente.


Segunda Ley de Mendel: Ley de la segregación independiente de los caracteres.

Los factores que se transmiten de generación en generación se separan (segregan) en los parentales y se unen al azar en los descendientes para definir las características de los nuevos individuos.
Mendel autofecundó individuos que le habían aparecido en la F1 del cruce anterior con un genotipo Aa y un fenotipo Amarillo.

Tercera Ley de Mendel: Ley de la distribución independiente o de la libre combinación de los caracteres hereditarios.

Si se consideran dos caracteres simultaneamente, las segregaciones de los factores genéticos no interfieren entre sí; es decir, los factores que determinan un carácter se heredan independientemente de los que determinan el otro.
Mendel estudió el color y la forma de los guisantes para llegar a sus conclusiones.

Al igual que con el color, observó que la forma lisa era dominante sobre la rugosa, determinando que el alelo B (liso) domina sobre el b (rugoso) (B>b). Cruzó individuos dihomocigóticos dominantes (genotipo AABB y fenotipo Amarillo Liso) con individuos dihomocigóticos recesivos (genotipo aabb y fenotipo verde rugoso).

Clonación celular

Clonar una célula consiste en formar un grupo de ellas a partir de una sola. En el caso de organismos unicelulares como bacterias y levaduras, este proceso es muy sencillo, y sólo requiere la inoculación de los productos adecuados.
Sin embargo, en el caso de cultivos de células en organismos multicelulares, la clonación de las células es una tarea difícil, ya que estas células necesitan unas condiciones del medio muy específicas.
Una técnica útil de cultivo de tejidos utilizada para clonar distintos linajes de células es el uso de aros de clonación (cilindros).
De acuerdo con esta técnica, una agrupación de células unicelulares que han sido expuestas a un agente mutagénico o a un medicamento utilizado para propiciar la selección se ponen en una alta dilución para crear colonias aisladas; cada una proviniendo de una sola célula potencialmente y clónicamente diferenciada.
En una primera etapa de crecimiento, cuando las colonias tienen sólo unas pocas células; se sumergen aros estériles de poliestireno en grasa, y se ponen sobre una colonia individual junto con una pequeña cantidad de tripsina.
Las células que se clonan, se recolectan dentro del aro y se llevan a un nuevo contenedor para que continúe su crecimiento.

Clonación molecular

La clonación molecular se utiliza en una amplia variedad de experimentos biológicos y las aplicaciones prácticas van desde la toma de huellas dactilares a producción de proteínas a gran escala.
En la práctica, con el fin de amplificar cualquier secuencia en un organismo vivo, la secuencia a clonar tiene que estar vinculada a un origen de replicación; que es una secuencia de ADN.
-Transfección: Se introduce la secuencia formada dentro de células.
-Selección: Finalmente se seleccionan las células que han sido transfectadas con éxito con el nuevo ADN.
Inicialmente, el ADN de interés necesita ser aislado de un segmento de ADN de tamaño adecuado. Posteriormente, se da el proceso de ligación cuando el fragmento amplificado se inserta en un vector de clonación: El vector se linealiza (ya que es circular),usando enzimas de restricción y a continuación se incuban en condiciones adecuadas el fragmento de ADN de interés y el vector con la enzima ADN lisa.
Tras la ligación del vector con el inserto de interés, se produce la transfección dentro de las células, para ello las células transfectadas son cultivadas; este proceso, es el proceso determinante, ya que es la parte en la que vemos si las células han sido transfectadas exitosamente o no.
Tendremos que identificar por tanto las células transfectadas y las no transfectadas, existen vectores de clonación modernos que incluyen marcadores de resitencia a los antibióticos con los que sólo las células que han sido transfectadas pueden crecer. Hay otros vectores de clonación que proporcionan color azul/ blanco cribado. De modo, que la investigación de las colonias es necesaria para confirmar que la clonación se ha realizado correctamente.

Aplicaciones y riesgos de la ingenierá genética

La utilización de los seres vivos o de sus productos con fines comerciales o industriales recibe el nombre de biotecnología.

Las principales áreas de aplicación de la biotecnología son:

    -Obtención de productos farmacéuticos como la insulina.

    -Obtención de alimentos con características especiales.

    -Obtención de órganos para transplantes.

Logros como:

    -Renitencia de los cultivos.

    -El crecimiento más rápido de plantas y animales y su adaptación a condiciones ambientales adversas.

La ventaja que le veo a la ingeniería genética es poder corregir y mejorar el genoma de un animal o una planta, para mejorar la producción de productos que extraemos o utilizamos de los mismos. También para evitar el riesgo de sufrir determinadas enfermedades y para la producción de antibióticos en los laboratorios farmacéuticos.

Ahora bien, gracias al comité de ética que controla los trabajos que se realizan en ingeniería genética, se logra evitar que se cometan atrocidades que puedan generar daños irreparables.

En cuanto a los riesgos de la biotecnología:

-Pérdida de diversidad genética.

-El salto, de forma accidental, de los genes transferidos a otras especies silvestres.

-Efectos perjudiciales sobre la salud.

Proyecto genoma humano

El proyecto genoma humano (PGH) empezó a funcionar en 1990 bajo la dirección de James Watson. Los objetivos perseguidos con el Proyecto Genoma Humano son múltiples:

• Identificar los aproximadamente 30.000 genes en el ADN humano.
• Determinar la secuencia de los tres billones de bases.
• Guardar la información generada en bases de datos.
• Mejorar las herramientas de análisis de datos.
• Transferir tecnologías al sector privado.
• Analizar los aspectos éticos, legales, y sociales aparejados al proyecto.

Características del genoma humano

-El genoma humano contiene unos 3200 millones de pares de bases.

-Solo en 2% del genoma contiene genes.

-Es casi el mismo para todas las personas.

-Aproximadamente la mitad de las proteínas humanas comparten semejanzas con las de otros seres vivos.

Algunas aplicaciones del PGH pueden ser el diagnóstico de enfermedades hereditarias, la fabricación de medicamentos más eficaces y generalizados y la terapia genética.

El padre de la genética

Gregor Johann Mendel (20 de julio de 1822 – 6 de enero de 1884) fue un monje agustino católico y naturalista nacido en Heinzendorf, Austria (actual Hynčice, distrito Nový Jičín, República Checa) que describió, por medio de los trabajos que llevó a cabo con diferentes variedades del guisante (Pisum sativum), las hoy llamadas leyes de Mendel que rigen la herencia genética. Los primeros trabajos en genética fueron realizados por Mendel. Inicialmente realizó cruces de semillas, las cuales se particularizaron por salir de diferentes estilos y algunas de su misma forma. En sus resultados encontró caracteres como los dominantes que se caracterizan por determinar el efecto de un gen y los recesivos por no tener efecto genético (dígase, expresión) sobre un fenotipo heterocigótico.
Su trabajo no fue valorado cuando lo publicó en el año 1866. Hugo de Vries, botánico neerlandés, Carl Correns y Erich von Tschermak redescubrieron por separado las leyes de Mendel en el año 1900.

Proyectos genoma

Un genoma es el conjunto de genes que especifican todos los caracteres de un organismo. O sea, es todo el material genético de un ser vivo. Es el juego completo de instrucciones hereditarias para la construcción y mantenimiento de un organismo, que pasa a la siguiente generación.

Secuenciar el ADN del genoma de un organismo requiere mucho trabajo, y el esfuerzo coordinado de muchos laboratorios. Por este motivo, a menudo los científicos establecen colaboraciones llamadas los proyectos genoma.

Terapia genética

La terapia genética consiste en sustituir o añadir, según el caso, una copia normal de la región defectuosa del ADN para poder solucionar y restablecer la función alterada, evitando el desarrollo de enfermedades de origen genético, como por ejemplo la facultad defensiva ante las enfermedades infecciosas. Las enfermedades con las que se ha empezado a trabajar son, entre otras, la deficiencia de la enzima ADA (adenosina desaminasa), conocida como la de los niños burbuja y la DMD o distrofia muscular de Duchenne.

La posibilidad de curar las enfermedades genéticas con un tratamiento específico justifica lo esfuerzos que se están realizando en este sentido.

Organismos transgénicos

Los organismos eucarióticos que han sido modificados por ingeniería genética se denominan organismos transgénicos.

Los organismos transgénicos muestran que aparentemente no existen barreras para mezclar los genes de dos especies diferentes. A mediados de los años sesenta se comenzaron a inventar bioherramientas moleculares con las cuales se podía componer y descomponer al DNA, lo que permitió intercambiar fragmentos específicos de la materia hereditaria de distintas especies e incluso transferirlos a microorganismos como las bacterias. Después se descubrió que esta práctica la venía haciendo la naturaleza desde hace millones de años con los vegetales a través de la bacteria llamada Agrobacterium tumefaciens.

Varios ejemplos de organismos pueden ser:

-Frutos (modificados para no tener semillas o disminuir)
-Granos (soya, maíz, arroz...)
-Algunas especies de peces.
-Aves ponedoras.

-etc.

La manipulación genética de los animales persigue múltiples objetivos: aumentar el rendimiento del ganado, producir animales con enfermedades humanas para la investigación, elaborar fármacos, y animales... etc. Además, está ingeniería se aplica a bacterias, plantas, hongos e incluso en humanos (terapia somática celular).

Las técnicas de obtención de animales transgénicos son:

-Microinyección de ADN en núcleo de ovocito.

-Microinyección de ADN en pronúcleo o en citoplasma de cigoto (óvulo fecundado).

-Electroporación de cigoto.

-Transfección de células totipotentes.

-Co-inyección en ovocitos de una mezcla de cabezas de espermatozoides y ADN exógeno.

-Vectores virales.

-Transfección de gametos.

-Transferencia de núcleos transfectados (clonación).

Introducción a la genética

Todo organismo, aún el más simple, contiene una enorme cantidad de información. Esta información se encuentra almacenada en una macromolécula que se halla en todas las células: el ADN. Este ADN está dividido en gran cantidad de sub-unidades (la cantidad varía de acuerdo con la especie) llamadas genes. Cada gen contiene la información necesaria para que la célula sintetice una proteína. Así, el genoma va a ser la responsable de las características del individuo.
La Ingeniería Genética es una rama de la genética que se concentra en el estudio del ADN, pero con el fin su manipulación. En otras palabras, es la manipulación genética de organismos con un propósito predeterminado.
La Ingeniería genética tiene numerosas aplicaciones en campos muy diversos, que van desde la medicina hasta la industria. Sin embargo, es posible hacer una clasificación bastante simple bajo la cual se contemplan todos los usos existentes de estas técnicas de manipulación genética: aquellos que comprenden la terapia génica, y aquellos que se encuentran bajo el ala de la biotecnología.

Ingeniería genética

Un gen es una secuencia lineal organizada de nucleótidos en la molécula de ADN ( o ARN en el caso de algunos virus), que contiene la información responsable de cada uno de los caracteres hereditarios.

La Ingeniería Genética es la ciencia biológica que trata de la manipulación de los genes. La aplicación de los conocimientos de la Ingeniería Genética constituye la Biotecnología. La ingeniería genética permite identificar y aislar genes concretos y producir copias idénticas de un gen. Además, del gen clonado puede ser transferido a células que fabricarán el producto que codifica.

Actualmente la Ingeniería Genética está trabajando en la creación de técnicas que permitan solucionar problemas frecuentes de la humanidad como, por ejemplo, la escasez de donantes para la urgencia de trasplantes. En este campo se están intentando realizar cerdos transgénicos que posean órganos compatibles con los del hombre.