Aves. La vida en el aire

La Clase AVES  se caracteriza esencialmente por haber desarrollado el sistema de locomoción más eficaz de todos los empleados por los vertebrados: el VUELO.

Para adaptarse al vuelo las aves han sufrido decisivas transformaciones:

• Su esqueleto es mucho más ligero que el del resto de los vertebrados.
• Sus extremidades anteriores se han transformado en alas con solo tres dedos que funcionan solidariamente como eje del ala.
• Como consecuencia del vuelo los músculos pectorales (pechuga) han sufrido un desarrollo considerable. Estos poderosos músculos se insertan en una prolongación del esternón: la quilla.
• La cabeza está situada en el extremo de un largo cuello para servir de equilibrio al cuerpo.
• Pero lo más decisivo ha sido la aparición de unas FANERAS nuevas muy ligeras: las PLUMAS, constituidas por un eje (raquis) sólidamente anclado a la dermis, del que surgen barbas que se unen entre sí por barbillas. Estas estructuras permiten dos funciones que son decisivas para el ave: el VUELO (plumas remeras y timoneras) y mantener la temperatura corporal (plumas coberteras) decisivo en la adquisición de la HOMEOTERMIA. (Aves y mamíferos son capaces de mantener constante su temperatura). 

• Una de las adaptaciones más interesantes de las aves es su aparato respiratorio. Las aves poseen unos pulmones muy pequeños, pero éstos poseen unos divertículos denominados sacos aéreos que se prolongan introduciéndose en músculos y huesos, con lo que ambos son notablemente aligerados de peso.

• Otra gran adaptación reside en el cerebro y concretamente en su parte basal posterior, en la que está situado el CEREBELO. El cerebelo presenta un gran desarrollo en las aves, pues es el órgano que controla el equilibrio que es imprescindible en un organismo volador.

¿Seríamos capaces de dormir sobre un cable del tendido eléctrico, apoyados en una sola pata, como hacen las aves? Ese prodigioso sentido del equilibrio es controlado por su cerebelo.

En las AVES coexisten caracteres tan evolucionados como los citados anteriormente con otros más primitivos como por ejemplo sus extremidades inferiores cubiertas de escamas que nos recuerdan su procedencia evolutiva a partir de los reptiles.

PCR (Reacción en cadena de la polimerasa)

Otra tecnología muy importante en INGENIERÍA GENÉTICA es la REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA PCR.
Fue puesta a punto en 1985 por KARY B. MULLIS (Bioquímico estadounidense, Premio Nobel de Química en el año 1993) y permite obtener dos cadenas bicatenarias de DNA idénticas a partir de una original utilizando DNA polimerasa de la bacteria Thermus aquaticus (bacteria que, por vivir en ambientes muy cálidos, resiste bien Tª^s de 100ºC).

Esta tecnología permite la multiplicación o amplificación del DNA "in vitro", obteniéndose fácilmente numerosas copias de un gen en muy poco tiempo.

Para ello se necesitan:

• Una cadena molde (DNA de doble hélice) con el gen que interesa
• La DNA polimerasa de Thermus aquaticus
• Desoxirribonucleótidos trifosfato de las 4 bases que forman el DNA
• Un cebador (Pequeño fragmento de DNA monocatenario complementario de uno de los extremos de la cadena molde)

EL PROCEDIMIENTO ES EL SIGUIENTE:

Una vez seleccionada la doble hebra de DNA a replicar (que generalmente portará el GEN que interesa multiplicar), se procede a desnaturalizar a base de elevadas temperaturas, con lo que las dos cadenas se separarán. A partir de esas cadenas y utilizando DNA polimerasa y pequeños cebadores de DNA, se obtendrán dos hebras  dobles idénticas portadoras del GEN tras el primer ciclo.

En el segundo ciclo y por idéntico procedimiento, se obtendrán cuatro cadenas dobles.

En un tercer ciclo ocho y así sucesivamente, lográndose tras 20 ciclos más de un millón de copias idénticas por ser un proceso exponencial y por lo tanto de enorme rendimiento.

APLICACIONES DE LA PCR

• Clonación de genes.
• Estudios evolutivos. Se pueden amplificar genes de organismos ya extinguidos a partir de pequeñísimas cantidades de DNA extraídas de fósiles para compararlos con genes similares de especies actuales
• Estudios históricos o arqueológicos. Amplificando el DNA obtenido a partir de momias de antiguas civilizaciones, se puede estudiar la evolución de las enfermedades de origen genético
• Investigación policial, para ver si el DNA hallado en el lugar del crimen pertenece o no al sospechoso.(restos de pelos, semen, sangre o piel)
• Estudios o pruebas de verificación de paternidad.
• Como prueba de diagnóstico de una enfermedad, por ejemplo en la epidemia de covid19, para detectar un fragmento  del material genético del coronavirus si la persona está infectada.

Tecnología del DNA recombinante

La TÉCNICA DEL DNA RECOMBINANTE sirve para obtener un CLON DE GENES (Numerosas copias idénticas) a partir de un gen original "in vivo".
 

Los pasos que se deben dar son los siguientes:

1. Obtención de un fragmento de DNA que contiene el GEN. Para seleccionar el gen se emplean ENZIMAS DE RESTRICCIÓN procedentes de bacterias, que son capaces de cortar el DNA en puntos concretos, correspondientes a secuencias de reconocimiento, se consiguen así pequeños fragmentos de DNA portadores del GEN en cuestión.
2. Inclusión de ese GEN en una molécula de DNA (Vector de clonación). Se utiliza para ello un PLÁSMIDO (DNA bacteriano cíclico distinto del cromosoma bacteriano que se replica independientemente, puede haber de 20 a 50 en una sola bacteria) o un GENOMA VIRAL (Cortados también por los mismos ENZIMAS DE RESTRICCIÓN).
3. Introducción del VECTOR DE CLONACIÓN  con el GEN en una célula de un organismo diferente (Célula HOSPEDADORA) , que ha de ser de fácil manejo y cultivo, Se suelen utilizar para ello procariotas como Escherichia coli o Bacillus subtilis o eucariotas como Saccharomyces cerevisiae , y se puede conseguir por dos procedimientos:
   

   Por TRANSFORMACIÓN  en procariotas (Las bacterias toman espontáneamente el DNA del medio)

   
   

   Por TRANSDUCCIÓN en células eucariotas (Utilizando virus bacteriófagos

                     desprovistos de los genes que producen la lisis celular BACTERIÓFAGO LAMBDA)
4. Multiplicación de la célula hospedadora y obtención de gran número de copias del GEN en cuestión.(AMPLIFICACIÓN DEL GEN)

Amplificar un gen permite a los científicos tener muchas copias del gen para su estudio. La técnica del DNA recombinante se ha utilizado para:

- el desarrollo del Proyecto Genoma Humano,

- para el diagnóstico prenatal de enfermedades genéticas,

- para la evaluación de la susceptibilidad de los integrantes de una familia a padecer determinados

  tipos de cáncer,

- en medicina forense para el estudio de muestras de sangre, semen, saliva, células epiteliales, etc.,

- en la obtención de organismos transgénicos para la agricultura: vegetales resistentes a hongos,

  bacterias, insectos o pesticidas,

- para la producción de vacunas contra la hepatitis B o el papiloma humano,

- en la producción de diversas proteínas de interés: insulina, interferón, interleucinas, hormonas, etc.

WERNER, NATHANS y SMITH. El comienzo de la Ingeniería Genética

Werner

Smith

Nathans

Arber Werner (1929) Microbiólogo suizo, hizo su doctorado en la Universidad de Ginebra, trabajó en la Universidad de Los Ángeles y fue profesor de Genética y Microbiología en Ginebra y Basilea. Investigó en el campo de los virus bacteriófagos y descubrió que las bacterias tienen unos enzimas, endonucleasas de restricción, que son capaces de cortar grandes moléculas de DNA en fragmentos más pequeños, y lo hacían en lugares muy concretos, las secuencias de reconocimiento. El descubrimiento de las endonucleasas de clase I fue muy importante porque abrió un camino decisivo en el avance de la ingeniería genética.

Daniel Nathans (1928-1999) Biólogo estadounidense, estudió en las Universidades de Delaware y San Luis y fue profesor en la Universidad Johns Hopkins de Baltimore, donde coincidió con Hamilton Othanel Smith y dirigió el departamento de Microbiología. Dos años después de que Werner descubriera las endonucleasas de clase I, Nathans descubrió la primera endonucleasa de clase II. Estas últimas resultaron mucho más útiles pues cortan las cadenas de DNA en lugares donde aparece una secuencia bipalindrómica de nucleótidos (la secuencia de una cadena es idéntica a la de la otra pero están situadas en sentido inverso).
Utilizando la restrictasa descubierta por Smith, Nathans obtuvo por primera vez el mapa genético de un virus (el del virus SV40).

Hamilton Othanel Smith (1931) Científico estadounidense, estudió medicina en las Universidades de Illinois, Berkeley y Baltimore, fue profesor en  Míchigan y Baltimore y colaboró con el Instituto de Biología Molecular de la Universidad de Zúrich. El mismo año en que Nathans descubrió las endonucleasas de clase II, Smith descubrió, estudiando la interacción entre el virus bacteriófago P22 con la bacteria Haemophilus influenzae, una nueva enzima restrictasa, la HindII. Con ella Nathans descifró el mapa genético del virus SV40.

Estas endonucleasas de restricción de clase II han resultado esenciales en el desarrollo de la INGENIERÍA GENÉTICA y por ello Arber, Nathans y Smith obtuvieron en 1978 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina.

Los enzimas de restricción. Esas tijeras maravillosas..........

Siguiendo con el tema anterior.
¿Cómo  se puede insertar un gen humano en el DNA de una bacteria?

Se puede hacer si contamos con unas "tijeras de precisión" para hacer los cortes oportunos. De conseguir esas tijeras se encargaron Werner, Nathans y Smith.

Los enzimas de restricción, endonucleasas de restricción o rectrictasas son enzimas capaces de reconocer en una molécula de DNA una secuencia determinada de nucleótidos (secuencia de reconocimiento) y cortar el DNA en ese preciso lugar mediante la rotura de los enlaces fosfodiéster entre nucleótidos en ambas cadenas.

La rotura puede ser de dos tipos:

• Lo pueden hacer a la altura del mismo nucleótido (SmaI)

• O lo pueden hacer a distinta altura por lugares separados (EcoRI)

Los fragmentos resultantes en este segundo caso son altamente cohesivos y las porciones de DNA obtenidas por este sistema se pueden unir fácilmente por medio de enzimas ligasas a otros fragmentos que, por haber sido cortados por el mismo enzima de restricción, presentan extremos coincidentes.

En el año 1978 se otorgó el Premio Nobel de Fisiología y Medicina a Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith por el descubrimiento de las endonucleasas de restricción que permitieron la manipulación genética del DNA de Escherichia coli, en el que se introdujo el gen humano de la insulina y así se consiguió que las bacterias fabricaran INSULINA HUMANA para podérsela administrar a los diabéticos.
Además de insulina se han obtenido también interferón, hormona del crecimiento, factores de coagulación, eritropoyetina, anticuerpos monoclonales, interleucinas, vacunas sin riesgo de infección, etc.
Esta técnica ha sido esencial también para el desarrollo de la tecnología del DNA recombinante, que ha permitido AMPLIFICAR un gen, es decir, obtener numerosas copias de un gen "in vivo", muy útil para la secuenciación del DNA y del genoma de un ser vivo (Proyecto Genoma Humano), y en el diagnóstico de diversas enfermedades genéticas.

La ingeniería genética. Insulina, hormona del crecimiento, interferón, factores de coagulación.......

Aprovechando la información sobre el OPERÓN LAC 1 de la entrada anterior (2 de marzo), nos vamos a  ir introduciendo  en el mundo de la INGENIERÍA GENÉTICA.

La INGENIERÍA GENÉTICA nos permite incorporar genes de un individuo en el genoma de otro, por ejemplo, podemos insertar el gen HUMANO de la INSULINA  en una bacteria como Escherichia coli.
¿Para qué nos puede servir esto? Pues es muy sencillo:

2 Si introducimos en una bacteria de la especie Escherichia coli el gen humano de la insulina detrás del operón lac (en el lugar de los genes estructurales de la beta-galactosidasa) y dejamos que se reproduzca, todas las nuevas bacterias tendrán el gen de la insulina humana incorporado y cuando  en el tanque industrial en el que viven esas bacterias no hay lactosa 3 no se transcriben los genes. Pero si en el tanque añadimos lactosa 4  las bacterias comenzarán a sintetizar INSULINA y cuanto mayor sea el tanque de cultivo, la cantidad de insulina fabricada será mayor.

Por este sistema se han conseguido sintetizar industrialmente no solo grandes cantidades de INSULINA, mucho más  idónea por ser humana , que la insulina porcina  que se empleaba anteriormente para el tratamiento de la diabetes (la insulina humana tiene algunos aminoácidos distintos de los de la insulina de cerdo); sino también HORMONA DEL CRECIMIENTO para el tratamiento del enanismo, INTERFERÓN  para combatir enfermedades víricas y ciertos tipos de cáncer, FACTORES DE COAGULACIÓN para el tratamiento de las personas que padecen hemofilia y otras muchas moléculas de interés.

El operón lac y la regulación de la expresión génica

En 1961 Jacob y Monod  propusieron un modelo para explicar la forma en que se regula la expresión génica: el OPERÓN LAC, en el que se describe el mecanismo de regulación del gen de la beta-galactosidasa en Escherichia coli. Este enzima le sirve a la bacteria para romper la molécula de lactosa y aprovechar su energía.

1 En el DNA de esta bacteria hay dos tipos de genes:

• Los GENES ESTRUCTURALES  que codifican las proteínas necesarias para degradar la lactosa
• Los GENES REGULADORES  que controlan la actividad de los genes estructurales

           Estos últimos son tres:
           - gen REGULADOR que codifica una proteína que actúa de REPRESOR que se
              une al operador impidiendo la transcripción de los genes estructurales.
           - gen PROMOTOR al que se une la RNA polimerasa para iniciar la transcripción.
           - gen OPERADOR gen al que se fija el represor.


El esquema de funcionamiento es el siguiente:

 

2  Si en el medio en que vive Escherichia coli no hay LACTOSA, el gen REGULADOR sintetiza una proteína: el REPRESOR que se une al gen OPERADOR inhibiendo la transcripción de los genes ESTRUCTURALES (no se fabrica beta-galactosidasa). La RNA polimerasa no puede actuar.

 

 

3  Pero Si en el medio hay LACTOSA, esta se une al REPRESOR bloqueándolo, por lo que el OPERADOR queda libre. La RNA polimerasa se une entonces al PROMOTOR y se transcriben los genes ESTRUCTURALES (se fabrica beta-galactosidasa).

 

 

De esta forma se consigue fabricar proteínas solamente cuando es necesario.