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Biotecnología: principios y procesos (tecnología del ADN recombinante)

La ingeniería genética consiste en cambiar a propósito los genes de un ser vivo. Cortamos el gen que queremos con enzimas de restricción (tijeras moleculares), lo pegamos en un ADN transportador llamado vector con ADN ligasa (pegamento molecular), lo metemos en una célula huésped, elegimos las células que lo aceptaron y las cultivamos en grandes tanques (biorreactores) para recoger el producto. La PCR hace millones de copias de un gen y la electroforesis en gel ordena los fragmentos de ADN por tamaño.

🎬 Historia paso a paso

  1. El ADN donante es una larga escalera de letras A, T, G, C. Buscamos un lugar especial de seis letras: GAATTC. Se lee igual en las dos hebras, como la palabra "reconocer". El gen que queremos queda entre dos de estos lugares.
  2. La enzima EcoRI son unas tijeras moleculares. Corta entre la G y la A en cada hebra. El corte es en zigzag, así que quedan colgando colas cortas de una sola hebra, AATT. Se llaman extremos cohesivos (pegajosos).
  3. Cortamos un plásmido (un anillo pequeño de ADN de bacteria) con la MISMA enzima, para que sus extremos encajen con los del gen. La ADN ligasa los pega. El anillo con el nuevo gen es ADN recombinante.
  4. La PCR copia el gen. En cada ciclo: calentamos para separar las hebras, enfriamos para que se peguen los cebadores y templamos para que la Taq polimerasa construya hebras nuevas. Cada ciclo duplica la cantidad: 1, 2, 4, 8…
  5. Metemos el plásmido en bacterias (transformación). El plásmido lleva un gen de resistencia a un antibiótico. En una placa con ampicilina solo sobreviven las bacterias con el plásmido. Eso es la selección.
  6. Pruébalo tú: mueve el control de ciclos de PCR y mira cómo se duplican las copias, o cambia entre cortar y unir y la selección.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Cómo sabe la enzima dónde cortar?

Solo encaja con una secuencia de letras concreta, como una llave en una sola cerradura. EcoRI solo encaja con GAATTC.

¿Por qué los extremos se llaman cohesivos (pegajosos)?

El corte deja colas cortas de una sola hebra. Sus letras se emparejan (A–T, G–C) con colas que coinciden, así que los trozos se pegan.

¿Por qué el gen y el vector deben cortarse con la misma enzima?

Solo así sus extremos cohesivos tienen letras que coinciden y pueden emparejarse antes de que la ligasa los selle.

¿Por qué la PCR no puede usar una ADN polimerasa normal?

En cada ciclo la mezcla se calienta a unos 94 °C, y eso destruye las enzimas normales. La Taq polimerasa, de una bacteria de aguas termales, sobrevive.

¿Por qué algunas bacterias mueren en la placa con ampicilina?

Solo unas pocas células toman el plásmido. Las que no lo tienen no tienen el gen de resistencia, así que la ampicilina las mata.

¿Por qué no se puede meter un gen en una célula sin un vector?

Sin un ori no puede copiarse solo, así que se pierde cuando la célula se divide.

¿Qué son la biotecnología y la ingeniería genética?

La biotecnología consiste en usar seres vivos o sus partes (células, enzimas) para fabricar productos útiles. Hacer yogur con leche es biotecnología antigua. La biotecnología moderna se apoya en dos ideas:

¿Por qué no usar el cruce normal? Al cruzar se mezclan miles de genes a la vez, también los que no queremos. La ingeniería genética mueve solo el gen que nos interesa. El primer ADN recombinante lo hicieron en 1972 Stanley Cohen y Herbert Boyer: unieron un gen de resistencia a un antibiótico a un plásmido de Salmonella typhimurium.

¿Por qué hace falta un vector? Un trozo de ADN que entra solo en una célula normalmente no puede copiarse. Tiene que unirse a un ADN con un origen de replicación (ori), el lugar donde empieza la copia. Un plásmido tiene ori, así que el gen se copia junto con él.

Herramientas de la tecnología del ADN recombinante

1. Enzimas de restricción (tijeras moleculares)

Estas enzimas cortan el ADN en una secuencia fija llamada sitio de reconocimiento. Las primeras se encontraron en bacterias, donde cortan el ADN de los virus que las atacan. Pertenecen a un grupo más grande, las nucleasas: las exonucleasas quitan letras de los extremos; las endonucleasas cortan por dentro del ADN. Las enzimas de restricción son endonucleasas. El sitio de reconocimiento es un palíndromo: leído de 5′→3′ es igual en las dos hebras. Ejemplo, sitio de EcoRI: 5′-GAATTC-3′ y en la otra hebra 3′-CTTAAG-5′ (leído al revés = GAATTC). Muchas enzimas cortan un poco lejos del centro y dejan extremos cohesivos que se unen fácilmente con cualquier ADN cortado por la misma enzima.

Regla del nombre: EcoRI = E (género Escherichia) + co (especie coli) + R (cepa RY13) + I (primera enzima hallada en esa cepa). Se conocen más de 900 enzimas de restricción. (Hind II fue la primera, hallada en los años 70; también corta en un sitio de 6 letras.)

2. ADN ligasa (pegamento molecular)

Une el esqueleto de azúcar y fosfato del gen y del vector.

3. Vectores de clonación

Plásmidos y bacteriófagos. Un buen vector necesita:

pBR322 es un plásmido común de E. coli con ori, rop, y los genes ampR y tetR, y sitios como BamHI y PstI. Si insertamos un gen dentro de tetR, ese gen deja de funcionar (inactivación por inserción): las células recombinantes crecen con ampicilina pero mueren con tetraciclina. Una prueba más sencilla es el método azul-blanco: el gen se inserta dentro del gen lacZ de la β-galactosidasa. Las colonias con inserto no pueden fabricar la enzima y quedan blancas; las que no tienen inserto se ponen azules en una placa con sustrato cromogénico.

Vectores para plantas: el plásmido Ti de Agrobacterium tumefaciens (desarmado para que ya no cause tumores). Para animales: retrovirus desarmados.

4. Huésped competente

El ADN es hidrófilo (le gusta el agua) y no atraviesa fácilmente la membrana de la célula. Hacemos las células competentes: tratamos las bacterias con cloruro de calcio, las enfriamos en hielo, las calentamos un momento a 42 °C (choque térmico) y las volvemos a poner en hielo. Otras formas: la microinyección (en el núcleo de una célula animal), la pistola de genes o biolística (se disparan a células vegetales bolitas de oro o tungsteno cubiertas de ADN) y los patógenos desarmados como transportadores.

Pasos de la tecnología del ADN recombinante

  1. Aislar el ADN: romper la célula con enzimas (lisozima para bacterias, celulasa para plantas, quitinasa para hongos). Quitar el ARN con ribonucleasa y las proteínas con proteasa. Añadir etanol frío: el ADN puro sale como hilos blancos (ovillado).
  2. Cortar el ADN con una enzima de restricción a temperatura fija. Comprobar el corte con electroforesis en gel.
  3. Hacer muchas copias con PCR (reacción en cadena de la polimerasa): dos cebadores cortos + Taq polimerasa (resistente al calor, de la bacteria Thermus aquaticus). Cada ciclo = desnaturalización (~94 °C), hibridación de los cebadores (~50–60 °C), extensión (~72 °C). Después de n ciclos, 1 ADN → 2ⁿ copias.
  4. Ligar el gen al vector (misma enzima en ambos) con ADN ligasa → ADN recombinante.
  5. Meterlo en un huésped (transformación) y elegir las células transformadas con el marcador.
  6. Obtener el producto del gen extraño: la proteína que fabrica el gen extraño es una proteína recombinante. Para obtener mucha, las células crecen en biorreactores (tanques de 100–1000 litros) que controlan temperatura, pH, oxígeno, nutrientes y espuma. El biorreactor de tanque agitado tiene un agitador y un difusor (para burbujear aire).
  7. Procesamiento posterior: separar y purificar el producto, añadir conservantes, hacer pruebas (ensayos clínicos si es un medicamento) y envasar.

Electroforesis en gel

El ADN tiene carga negativa. En un gel de agarosa (hecho de algas) con un campo eléctrico, el ADN se mueve hacia el ánodo (+). El gel funciona como un tamiz: los trozos más pequeños llegan más lejos. Se tiñe con bromuro de etidio y se ven bandas naranjas con luz UV. Se corta la banda y se saca el ADN (elución).

Pruébalo en casa: saca ADN

Tritura un plátano maduro o unos guisantes con una pizca de sal y una cucharada de jabón lavavajillas en media taza de agua tibia. Filtra con un colador de té. Echa despacio alcohol isopropílico muy frío (pide ayuda a un adulto) por la pared del vaso. Arriba aparecen hilos blancos: es ADN, igual que en el paso del ovillado. En el 3D, mueve los ciclos de PCR y adivina las copias antes de mirar.

Consejo para el examen: esta unidad suele valer unos 12 puntos. Preguntas habituales: características de un vector, partes del esquema de pBR322, por qué la misma enzima para vector y gen, pasos de la PCR, principio de la electroforesis en gel, inactivación por inserción.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Empiezas una PCR con 1 molécula de ADN. ¿Cuántas copias hay tras 5 ciclos?

Cada ciclo duplica. Copias = 2ⁿ = 2⁵ = 32 copias.

2. Empiezas con 10 moléculas de ADN y haces 10 ciclos. ¿Cuántas copias hay?

Copias = 10 × 2¹⁰ = 10 × 1024 = 10,240 copias.

3. ¿Cuántos ciclos de PCR hacen falta para tener al menos 1000 copias a partir de 1 molécula?

2⁹ = 512 (pocas), 2¹⁰ = 1024 (suficiente). Entonces, 10 ciclos.

4. Un ciclo de PCR dura 3 minutos. ¿Cuánto tardan 20 ciclos y cuántas copias salen de una molécula?

Tiempo = 20 × 3 = 60 min = 1 hora. Copias = 2²⁰ = 1,048,576, casi un millón.

5. Un sitio de reconocimiento de 6 letras aparece, de media, una vez cada 4⁶ letras. ¿Cada cuánto es eso? ¿Más o menos cuántos cortes habrá en un ADN de 40,960 pares de bases?

4⁶ = 4096. Así que hay un sitio cada 4096 pb, aproximadamente. Cortes ≈ 40,960 ÷ 4096 = 10 cortes (de media).

6. Un plásmido circular tiene 3 sitios para BamHI. ¿Cuántos trozos salen al cortarlo con BamHI? ¿Y con un ADN recto (lineal) con 3 sitios?

Un círculo cortado en 3 puntos da 3 trozos. Una línea recta cortada en 3 puntos da 3 + 1 = 4 trozos. Por eso un vector debe tener un solo sitio para cada enzima.

7. Se inserta un gen en el sitio BamHI dentro de tetR de pBR322. ¿En qué placas crecen las células recombinantes?

tetR queda roto (inactivación por inserción) y ampR sigue funcionando. Así que las células recombinantes crecen con ampicilina pero NO con tetraciclina. Las células con el plásmido sin inserto crecen en ambas.

8. Se corren en un gel tres trozos de ADN de 500 pb, 2000 pb y 5000 pb. ¿Cuál queda más cerca de los pocillos?

Los trozos grandes se mueven menos por el tamiz. Así que el de 5000 pb queda más cerca de los pocillos; el de 500 pb llega más lejos hacia el ánodo.

Errores comunes

Test de práctica

1. ¿Qué enzima actúa como "pegamento molecular"?
2. En el nombre EcoRI, la "R" significa:
3. La Taq polimerasa sirve en la PCR porque es:
4. En la electroforesis en gel, los trozos de ADN más pequeños:
5. ¿Qué NO se necesita en un vector de clonación?

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las dos técnicas básicas de la biotecnología moderna?

La ingeniería genética (cambiar el ADN/ARN y mover genes) y mantener condiciones estériles (asépticas) para que solo crezca en grandes cantidades el microbio que queremos.

¿Por qué se llama palíndromo al sitio de reconocimiento?

Leídas en el mismo sentido (5′→3′), las dos hebras tienen la misma secuencia, por ejemplo GAATTC en ambas.

¿Qué es el procesamiento posterior?

Todos los pasos después de fabricar el producto en el biorreactor: separación, purificación, añadir conservantes, controles de calidad y envasado.

Dónde se estudia

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Biology
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Chemistry and biology
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIVIII. Biotechnology and genetic engineering basics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVXV. Biotechnology and genetic engineering basics
Spain2º BachilleratoBiotechnology
Spain2º BachilleratoBiology for the 21st century
Ukraine10 класThe cell
Ukraine11 класNutrition
CBSE (India)Class 12Biotechnology and its Applications
CBSE (India)Class 12Protein and Gene Manipulation
England (GCSE, A level)Year 133.8 The control of gene expression
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Gene Expression and Regulation
Japan高校2年Gene expression and development
South Korea고등학교 3학년Biotechnology and life
FranceTerminalePart T: experimental technology
Russia10 классBreeding and biotechnology
Russia10 классBreeding and biotechnology
China高三Sel.3 Ch.3 Genetic engineering

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