¿Hemos creado vida artificial? (y 2)

Una de las virtudes del trabajo de Venter y su grupo ha sido traer a la actualidad el interés por aspectos de la Biología especulativa que habitualmente solo preocupan a unos cuantos forofos, tanto profesionales de la Biología como aficionados a la ciencia ficción. ¿Se puede decir que Venter ha sintetizado vida artificial? Bueno, para eso tendríamos que tener claro a qué nos referimos con “vida artificial”. Y eso necesitaría, también, saber qué significa “vida”.

En realidad, no existe una definición “formal” del concepto vida. Todo lo más se ha establecido una descripción parsimoniosa de los seres vivos basada en sus características fundamentales, y que es una versión sofisticada de esa que todos aprendemos de niños (los seres vivos nacen, crecen, se reproducen y mueren). El concepto actual de vida se aproxima, más bien, a lo siguiente:

La vida es una propiedad emergente de un cierto tipo de sistemas complejos caracterizados por:

  • Su composición: todos los seres vivos estamos constituidos por el mismo conjunto de elementos. Además, no es una selección casual: las propiedades de estos elementos son las idóneas para mantener un entorno químico en el que coexisten moléculas estables, cuyos átomos están unidos entre sí mediante enlaces covalentes, con grupos reactivos y con fuerzas intermoleculares intensas y débiles.
  • Su estructura: todos los seres vivos somos sistemas modulares constituídos por una o varias unidades básicas, las células. Además, la mayor parte de los organismos vivos somos sistemas enormemente recursivos, de modo que presentamos grados de organización jerarquizados que contribuyen a establecer mecanismos homeostáticos.
  • Sus funciones: nutrición (intercambio de materia y energía entre los organismos y su entorno), relación (intercambio y utilización de la información, tanto interna como externa) y reproducción (formación de nuevos organismos, casi idénticos a los originales).
La conjunción de esas características da lugar a un tipo particular de sistemas,  que son a la vez capaces de mantener sus propiedades internas más o menos constantes a pesar de los cambios del entorno o de cambiarlas en respuesta a modificaciones. Es decir, los seres vivos somos sistemas homeostáticos y evolutivos.

¿Y qué hay de la vida artificial? En mi opinión, podríamos hablar de vida artificial si consiguiéramos alterar las características particulares de los organismos (composición, estructura, función) pero manteniendo las propiedades genéricas: homeostasis y evolución. Podríamos ir punto por punto, analizando las posibles modificaciones que nos indicarían que hablamos, realmente, de organismos sintéticos

Cambios en la función

En realidad éste es un paso que ya se ha iniciado: la transformación genética ha permitido introducir genes de unos organismos en otros , en particular en microorganismos y plantas, que les permiten desarrollar nuevas funciones. Este es, sin duda, el primer paso hacia el diseño inteligente de organismos, y se dio hace ya bastante tiempo. Sin embargo, al menos por el momento, estos genes extraños no proporcionan a los organismos modificados ventajas adaptativas (menos mal). Lo único que hemos hecho hasta ahora ha sido manipular a los organismos para que nosotros podamos obtener un mayor rendimiento de su utilización.

Cabe avanzar mucho más por este camino. Por ejemplo, entrando en los caminos de la especulación, por no hablar de ciencia ficción, líneas futuras de investigación en este ámbito podrían ser:

  • Introducción en un organismo de rutas metabólicas completas, incluyendo sus mecanismos de regulación. Esto permitiría modificar el metabolismo de esos individuos, haciendo posible que utilizaran metabolitos que ahora quedan fuera de su alcance. De esta forma conseguiríamos que ciertos organismos utilizaran nuestros residuos como fuente de energía, o que burlaran la limitación al crecimiento que supone la presencia en el medio de cantidades reducidas de algunos elementos, como el nitrógeno. En teoría este es un paso relativamente sencillo, ya que somos capaces de introducir en un organismo un considerable número de genes simultáneamente.
  • Diseño inteligente de genes: consistiría en el diseño integral de las proteínas, modelizando su estructura tridimensional para, a partir de ella, deducir su estructura primaria. El paso a secuencia de nucleótidos desde este paso es extremadamente sencillo, y la síntesis del gen completo es factible.
  • Creación de rutas metabólicas “ex novo”. En este caso se iría más allá, determinando la cadena de reacciones químicas y su regulación metabólica para aprovechar como metabolitos sustancias que ahora no pueden ser utilizadas por ningún organismo. Una gran oportunidad para la biodegradación de compuestos sintéticos o para la síntesis de nuevos compuestos.

Cambios en la estructura

Podríamos imaginar células animales con cloroplastos plenamente funcionales, capaces de desarrollar la fotosíntesis… O células vegetales con paredes celulares no celulósicas, aprovechables por nosotros, lo que permitiría incrementar el rendimiento energético de las plantas. Los cambios estructurales en los organismos podrían incluir la transferencia de orgánulos, modificaciones en las propiedades de los orgánulos que ya existen (cambios en su permeabilidad, por ejemplo para que las mitocondrias pudieran utilizar sustratos diferentes), o incluso el diseño de orgánulos específicamente diseñados para realizar ciertas funciones… Esto ya empieza a sonar mucho más a ficción científica que a proyectos de investigación, pero de eso se trataba.

Cambios en la composición
Terminemos de imaginar. Los organismos que conocemos utilizan, como es sabido, un pequeño grupo de elementos químicos. ¿Podríamos crear vida basada en el Silicio, y no en el Carbono? ¿Organismos capaces de sobrevivir en entornos no acuosos? ¿Diseñar sistemas químicos ad hoc para evolucionar en ambientes químicos inhóspitos, generando como residuos de su metabolismo compuestos que “abonaran” ese ambiente para que nosotros pudiéramos utilizarlo?
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    ¿Hemos creado vida artificial?

    Desde luego, lo ha vuelto a hacer. Venter, que ya consiguió la atención de todos los medios de comunicación (y una buena publicidad para su empresa) cuando informó de que se había secuenciado el genoma humano completo, ha vuelto a llamar la atención de todo el mundo, tanto científico como no científico anunciando lo que los medios han definido como “vida artificial” o, en un abuso de la literatura de baratillo, como “célula Frankenstein”. Ha sido tal el revuelo generado que hasta la Iglesia Católica se ha apresurado a reclamar el copyright del engendro para el mismísimo Dios (pero si el autor ha sido Venter…). En fin, mucho ruido. ¿Qué hay de las nueces?

    Sería interesante tratar de explicar varias cosas para comprender la importancia del trabajo, y luego sería hasta posible fantasear acerca de la idea de la vida artificial.

    ¿En qué consiste, realmente, el trabajo?

    Uno de los principales avances del proyecto genoma humano, aunque sea valorado casi exclusivamente por los biólogos moleculares, ha sido el desarrollo de técnicas que simplifican considerablemente la secuenciación de moléculas de ADN de gran tamaño, lo que ha permitido conocer el genoma completo de varias especies muy diferentes entre sí. Evidentemente, el más llamativo es el genoma humano, tanto desde el punto de vista teórico como aplicado: es de esperar que el conocimiento de nuestro genoma nos permita, andando el tiempo, curar o incluso prevenir enfermedades genéticas. Sin embargo, desde un punto de vista más básico, el conocimiento del genoma de otros organismos puede tener la misma importancia, o incluso más. Ese es, por ejemplo, el caso de los Micoplasmas. Se trata de un grupo de bacterias carentes de pared celular y particularmente simples, con un genoma de entre 500.000 y 1.000.000 de bases, lo que es muy poco para un organismo “completo”. Se ha secuenciado totalmente el genoma de varias especies de este grupo y, lo que es más importante, se ha podido identificar el conjunto de genes “imprescindibles” para que estas bacterias sobrevivan.

    Venter y su grupo han trabajado en este caso con varias especies de este grupo de bacterias cuyo genoma completo se conoce. Lo que han hecho exactamente ha sido sintetizar artificialmente unos 600 fragmentos de aproximadamente 1000 pares de bases que cubren la secuencia génica que se considera imprescindible para la supervivencia de estos organismos. Han construido también otros genes, siempre a partir de secuencias conocidas, con dos propósitos distintos: cuatro secuencias actúan como “marcas de agua”, permitiendo la identificación del genoma “sintético” diferenciándolo del genoma de la bacteria original. Otros dos genes se han incluido en la bacteria “sintética” para demostrar que ésta expresa correctamente dichos genes y que, por lo tanto, podemos hacer que “trabaje” para nosotros. En realidad este trabajo ya estaba terminado (y publicado) en el año 2008.

    Otra parte diferente y complementaria del trabajo ahora publicado es el “ensamblaje” de esa secuencia de ADN sintetizada en un único vector de clonación. Un vector de clonación es una molécula de ADN que se usa para introducir material genético exógeno en una célula. Habitualmente se usan con este propósito plásmidos bacterianos, fagos o cósmidos, pero en este caso no era posible utilizar ninguno de estos tipos de vectores porque se requería que fueran capaces de introducir una cantidad de ADN mucho mayor que lo ordinario. Lo que se ha hecho, en cambio, ha sido construir un plásmido centromérico en una levadura. Los plásmidos centroméricos se caracterizan porque contienen secuencias propias de los centrómeros, que contribuyen a su estabilización, y secuencias de replicación autónoma.

    La tercera pata del éxito de Venter ha sido la transformación de una bacteria con un vector tan grande como para contener el genoma completo de un organismo, si bien este resultado ya fue obtenido y publicado por su grupo en el año 2007, llamando la atención bastante menos que ahora. Desde luego, este es también un avance técnico de primer orden, y quizá sea el que más influencia tiene de cara a conseguir, en el futuro, “vida artificial”, sea eso lo que sea; curiosamente, hasta ahora teníamos herramientas para sustituir completamente el genoma nuclear (convenientemente empaquetado) de un eucariota, lo que permitía la clonación de organismos completos; ahora esto demuestra que también podemos “transplantar” el genoma de una bacteria.

    Una dificultad interesante que encontró el grupo de Venter al llevar a cabo la transferencia del genoma bacteriano es el hecho de que el genoma de Mycoplasma se encuentra metilado en su estado fisiológico, mientras que el plásmido creado en levaduras no lo está. Esto hacía inviable, en principio, la expresión de los genes clonados y transferidos. Los investigadores han esquivado este problema aplicando dos soluciones diferentes: eliminando el patrón de metilación de la bacteria antes de transformarla, lo que no ha impedido su actividad, y tratando el plásmido con metilasas extraídas de Mycoplasma mycoides, lo que también ha permitido el funcionamiento de los genes transplantados.

    ¿Y que hay de la vida artificial?

    En mi opinión, nada. El avance del trabajo de Venter es de gran importancia, por supuesto; ha reunido información y conocimiento sobre el genoma mínimo de un organismo, y ha utilizado ese conocimiento para modificar una parte de él. Ha sido capaz de sintetizar artificialmente todo un genoma, y de transferirlo desde un sistema biológico de clonación a una célula receptora, igual que se hace con la clonación humana, sin que nadie lo llame “creación de seres vivos artificiales”. Abre muchas puertas, crea muchas expectativas, pero no es vida artificial. Yo llamaría a Mycoplasma mycoides JCVI syn 1.0 “célula collage” o “célula pachtwork”, pero no célula sintética o artificial.

    Porque, para empezar… ¿A qué se podría llamar vida artificial? Como eso es más ciencia ficción o especulación teórica, prefiero dejarlo para una entrada distinta, con la promesa de que aparecerá inmediatamente.

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    Microbiología y biotecnología: el papel ecológico de los microorganismos

    El concepto de microorganismo no hace referencia a un grupo taxónomico concreto, sino al conjunto de organismos de pequeño tamaño que pertenecen a los reinos Monera, Hongos y Protistas. Es evidente, por tanto, que la característica fundamental de los microorganismos es precisamente su diversidad.
    En muchos casos, además, los microorganismos han evolucionado durante mucho tiempo (algunos son organismos extraordinariamente antiguos), ocupando ambientes marginales, en los que se dan características poco adecuadas para la vida, de modo que se han visto obligados a desarrollar rutas metabólicas especiales, que les permitan aprovechar recursos extraños o adecuarse a condiciones excepcionales. La diversidad metabólica de los microorganismos hacen de ellos un grupo clave desde el punto de vista ecológico: juegan un papel fundamental en el cierre de los ciclos de materia, pueden actuar como simbiontes o patógenos de otros organismos y colonizan entornos extremos.
    La Tierra como planeta es un sistema cerrado. Esto significa que intercambia energía con su entorno, pero no materia. La consecuencia de este hecho es que la materia de nuestro planeta debe ser utilizada una y otra vez, reciclándose continuamente. En particular, los seres vivos modificamos la materia de un modo muy significativo al transformar la materia inorgánica en materia orgánica, con unas características químicas muy especiales. Para que los organismos puedan volver a utilizar la materia que necesitan la materia orgánica debe volver a ser transformada en inorgánica. Estos procesos definen los tres grandes papeles ecológicos que desempeñan los seres vivos en relación con las transformaciones de la materia:
    • Los productores son organismos que utilizan materia inorgánica y, aprovechando energía captada de algunos procesos no biológicos, la transforman en la materia orgánica que necesitan para elaborar sus propios componentes.
    • Los consumidores aprovechan la materia orgánica tanto para elaborar sus propios componentes como para obtener energía mediante reacciones de degradación de estos compuestos.
    • Los descomponedores, además de utilizar para sus componentes la materia orgánica, la transforman en materia inorgánica para obtener energía.
    En los ecosistemas es posible encontrar microorganismos que realizan las tres funciones. Sin embargo, los descomponedores son exclusivamente microorganismos, lo que da una primera idea de su importancia ecológica. Pero, además de su interés cualitativo, los microorganismos juegan un papel extraordinariamente activo en el funcionamiento de los ciclos de materia, debido a:
    • Su amplia distribución ecológica: existe una gran variedad de microorganismos en todos los ecosistemas, por excepcionales que sean las condiciones ambientales de los mismos.
    • Su facilidad de dispersión, facilitada por su pequeño tamaño, lo que facilita que aparezcan en cualquier entorno y contribuyan a su colonización antes de que lleguen hasta él otros organismos.
    • Su diversidad metabólica, que les permite aprovechar prácticamente cualquier tipo de compuesto presente en el entorno.
    • Su pequeño tamaño y rápido crecimiento, que favorece un rápido intercambio de sustancias entre los organismos y el entorno, facilitando la dinámica del ecosistema.

    Ciclos biogeoquímicos de materia

    La materia se encuentra en diferentes “depósitos” (geológico, hidrológico, atmosférico o biológico), pudiendo aparecer en cada uno de ellos en diferentes “formas” o sustancias químicas, que pueden transformarse unas en otras mediante reacciones químicas. Para analizar el comportamiento de la materia en el seno de un ecosistema se utiliza, normalmente, un enfoque de dinámica de sistemas, que centra su atención tanto en los depósitos de materia (formas de materia que contienen, cantidades) como en los flujos que se establecen entre ellos (caracterizados por una velocidad, que marca el ritmo con el que la materia pasa de un depósito a otro). Como las transformaciones suponen modificaciones químicas, es decir, transformaciones de una sustancia en otras, se suele tomar como unidad de estudio cada elemento químico. Los ciclos biogeoquímicos que más importancia tienen para los seres vivos son los del Carbono, el Nitrógeno, el Fósforo y el Azufre.
    Ciclo del Carbono
    El del carbono es un ciclo biogeoquímico “completo”, en el sentido de que este elemento aparece en depósitos ubicados en todos los subsistemas terrestres. También es el ciclo en el que mayor importancia tienen los organismos vivos, como cabe esperar al tratarse del elemento químico fundamental en su composición.

    Los seres vivos participan en prácticamente todos los procesos del ciclo del carbono, en especial en aquellos que tienen que ver con su incorporación a la materia orgánica, que es llevada a cabo por los productores mediante la fotosíntesis y, en menor medida, la quimiosíntesis, o su retorno a los depósitos no orgánicos: la respiración devuelve el carbono orgánico a la atmósfera, la muerte de los organismos lo deposita en el suelo, la deposición de los caparazones calcáreos da lugar a importantes formaciones sedimentarias de caliza y la descomposición anaerobia de los restos orgánicos forma los depósitos de hidrocarburos.

    Los microorganismos, en particular, juegan importantes papeles en el desarrollo del ciclo del carbono:

    • Incorporación del carbono a la materia orgánica:
      • Fotosíntesis:
        • Oxigénica: los protistas verdes y las cianobacterias son, junto a las plantas verdes, los principales productores de los ecosistemas.
        • Anoxigénica: se debe a la actividad de bacterias fotosintéticas rojas y verdes.
      • Quimiosíntesis: es desarrollada por bacterias de diferentes tipos
    • Uso del carbono orgánico: todos los microorganismos utilizan el carbono orgánico como elemento básico de su metabolismo.
    • Descomposición: bacterias y hongos son los responsables de la mineralización de los compuestos orgánicos de carbono
    • Las arqueobacterias metanogénicas, un grupo de organismos filogenéticamente muy primitivos, utilizan el CO2 para producir metano que es emitido a la atmósfera. A su vez, este metano puede ser utilizado por las bacterias metanotrofas para producir energía.

    Ciclo del Nitrógeno

      En comparación con el ciclo del carbono, en el ciclo del nitrógeno los organismos tienen una importancia relativa mucho mayor, ya que son los principales responsables de los cambios en el estado de oxidación de este elemento. Esto tiene una importancia considerable, ya que el estado de oxidación es el factor que determina la posibilidad de que los organismos puedan utilizar o no los compuestos nitrogenados.

      En cuanto al desarrollo del ciclo en sí, apenas hay nitrógeno en la geosfera; los depósitos fundamentales de este elemnto son la atmósfera (donde se encuentra como N2, en estado de oxidación cero) y los seres vivos.

      Una característica peculiar del ciclo de este elemento es la gran diversidad de estados de oxidación en que se encuentra en la naturaleza, aunque solo algunos de ellos pueden ser asimilados por los seres vivos. Otra circunstancia que explica también la complejidad de la participación de los organismos en el ciclo del nitrógeno es que los seres vivos utilizan este elemento con dos propósitos diferentes: para incorporarlo a sus constituyentes esenciales (ácidos nucleicos, proteínas…), función imprescindible en todos los seres vivos, y para utilizarlo en ciertas reacciones químicas que proporcionan energía a algunos organismos (bacterias quimioautótrofas).

      La incorporación de nitrógeno a la materia orgánica solo es posible cuando el nitrógeno se encuentra en ciertos estados de oxidación. Los organismos heterótrofos se caracterizan porque solo pueden utilizar el nitrógeno reducido, mientras que la mayoría de las plantas pueden usar también formas oxidadas como nitritos o nitratos, lo que explica el uso de estos compuestos como fertilizantes en los suelos. Por último, un reducido grupo de microorganismos son capaces de transformar nitrógeno molecular (N2) en nitrógeno reducido (-NH2), lo que les permite incorporarlo directamente en sus componentes. Este proceso, la fijación de nitrógeno, tiene una importancia ecológica enorme: el nitrógeno molecular es la forma química más estable de este elemento, y de no ser por los procesos que lo rompen (fijación biológica y, en mucha menor medida, fijación inorgánica debida a descargas eléctricas en la atmósfera), todo el nitrógeno tendería a acumularse en esta forma en la atmósfera, con lo que quedaría fuera del alcance de los seres vivos. La fijación de nitrógeno, por tanto, supone prácticamente el único mecanismo posible para incorporar a los organismos uno de los bioelementos primarios.

      La fijación biológica del nitrógeno es un proceso complejo, que requiere un considerable aporte de energía y, sobre todo, condiciones de anaerobiosis estricta, porque el oxígeno envenena la enzima responsable del proceso, la nitrogenasa. En estas condiciones, la fijación de nitrógeno se limita a unos cuantos tipos de organismos que habitan en ambientes muy marginales o que son capaces de generar su propio ambiente anaerobio. Entre estos últimos, algunos grupos son de vida libre, es decir son capaces de desarrollar el proceso de modo totalmente independiente (como ciertas cianobacterias), mientras que otros establecen simbiosis con algunos tipos de plantas (en particular las leguminosas) que les proporcionan un ambiente adecuado para poder fijar el nitrógeno.

      Uno de los casos más importantes de simbiosis entre organismos fijadores de nitrógeno y plantas es la que se establece entre las bacterias del género Rhizobium y las plantas de la familia de las leguminosas, que explica la costumbre tradicional de sembrar legumbres para enriquecer el suelo en compuestos nitrogenados. En esta asociación, las bacterias invaden las raíces de las leguminosas, y éstas responden creando a su alrededor una estructura llamada nódulo, en el que cada bacteria está rodeada de un material impermeable, que impide la llegada del oxígeno. Pero, además de la adaptación morfológica, las leguminosas expresan en sus raíces una proteína llamada leg-hemoglobina que se une al oxígeno, retirándolo de la zona donde se encuentran las Rhizobium. Lo peculiar del caso es que el nombre de leg-hemoglobina no es casualidad: la proteína de las leguminosas posee una estructura extraordinariamente parecida a la hemoglobina de vertebrados: incluye un anillo tetrapirrólico con un átomo de hierro en su centro, que es donde se fija el oxígeno, y la estructura terciaria de ambas proteínas es claramente similar.

      Más aún, la estructura del gen de la leg-hemoglogina (su secuencia de intrones y exones y la frecuencia de aminoácidos utilizados) es bastante más parecida a las características de las proteínas animales que a otras proteínas de la planta, lo que lleva a pensar que probablemente la leg-hemoglobina es el resultado de una transferencia horizontal de genes entre animales y plantas, como resultado de una infección cruzada.

      El resto de las transformaciones químicas del nitrógeno guardan también relación con la ecología de los microorganismos:

      • El nitrógeno excretado por los seres vivos se encuentra en forma de amonio (NH4+).  Varios géneros de bacterias utilizan este tipo de compuestos para obtener energía oxidándolos hasta la forma de nitritos (NO3) o de nitratos (NO2). Esta transformación mantiene aún el nitrógeno a disposición de los organismos, porque las plantas son, en general, capaces de absorber dichas formas químicas. Entre las bacterias que participan en estos procesos se encuentran las de los géneros Nitrosomonas, Nitrococcus o Nitrobacter.
      • Algunas bacterias del género Pseudomonas llevan más allá este proceso, transformando los nitratos en nitrógeno molecular, con lo que lo dejan fuera del alcance de la mayor parte de los organismos.

      Ciclo del azufre

      El ciclo del azufre tiene lugar, fundamentalmente, en la geosfera; los depósitos atmosférico e hidrosférico de azufre son poco importantes, hasta el punto de que la concentración de azufre en el agua es uno de los factores limitantes para el desarrollo de los organismos en el medio acuático (junto con el nitrógeno y el fósforo).

      Al igual que lo que ocurre con el nitrógeno, los organismos utilizan el azufre tanto para incorporarlo a sus moléculas (proteínas) como para obtener energía de sus reacciones de oxidación-reducción. La forma química del azufre utilizada por los seres vivos es el ión HS. Cuando el organismo muere, el azufre es depositado en el medio, donde es aprovechado por los organismos responsables de los procesos de putrefacción, que lo transforman en ácido sulfhidrico (H2S), uno de los responsables del olor de los cadáveres. Este compuesto, a su vez, puede ser utilizado por bacterias quimiolitotrofas y fotótrofas, que lo oxidan hasta azufre molecular o hasta sulfato (SO4=). Por último, los sulfatos pueden ser reducidos de nuevo a ácido sulfhídrico (reducción desasimiladora) o a ión sulfhidrilo (reducción asimiladora, que permite la reutilización del azufre por parte de los seres vivos, y que es realizada por plantas y varios tipos de microorganismos).

      Otros ciclos biogeoquímicos

      Los microorganismos intervienen también en el funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos de otros elementos:

      • En el ciclo del fósforo, el fitoplancton y los vegetales acuáticos incorporan los fosfatos a la cadena trófica. También son capaces de solubilizar los fosfatos inorgánicos.
      • La participación de los microorganismos en el ciclo del hierro es también fundamental, porque son los responsables de los cambios en su estado de oxidación que, en el caso de este metal, suponen que pase a ser soluble o insoluble.
        • Algunas bacterias son capaces de reducir el hierro III a hierro II, lo que permite su solubilización. Estos microorganismos requieren, para llevar a cabo este proceso, de ambientes anóxicos.
        • Algunas bacterias quimiolitotrofas presentes en ambientes oxigenados realizan el proceso opuesto, oxidando el hierro II a hierro III, con lo que lo hacen insoluble.

      Relación de los microorganismos con el hombre

      Nuestro propio organismo ofrece un entorno adecuado para la proliferación de microorganismos, los cuales establecen con nosotros todo tipo de relaciones tróficas. Así, viviendo sobre nuestro cuerpo o en su interior podemos encontrarnos microorganismos simbiontes o comensales, que constituyen la biota bacteriana normal, o bien microorganismos parásitos. En particular, si los parásitos producen daños que dan lugar a enfermedades suelen denominarse patógenos.

      En realidad, las relaciones que se establecen entre dos organismos son dinámicas, y pueden cambiar de características con el paso del tiempo. En el caso del hombre y los microorganismos es relativamente frecuente que algunos que forman parte de la biota normal se aprovechen de estados de debilidad del individuo en el que se encuentran y se transformen en patógenos oportunistas.

      La biota normal del organismo se encuentra preferentemente en las superficies del cuerpo que se encuentran expuestas al contacto con el exterior del organismo, lo que incluye tanto la piel como las cavidades y órganos que tienen salida al exterior. En condiciones normales estos microorganismos no tienen efectos perjudiciales para el organismo. Más bien todo lo contrario: como mínimo, compiten por ocupar ese nicho con otros organismos potencialmente patógenos, dificultando o incluso impidiendo su proliferación, por lo que en cierto sentido nos protegen de infecciones.

      En la piel y la cavidad bucal se encuentran fundamentalmente bacterias gram positivas, levaduras y estafilococos que, en ciertas ocasiones, pueden contribuir al desarrollo de ciertas enfermedades como la caries o el acné (Propionibacterium acnes).

      En el tracto intestinal, por su parte, suelen encontrarse bacterias anaerobias como Escherichia coli, que contribuyen a la digestión y aportan vitaminas a la dieta. Los cambios en la composición de la biota intestinal normal suelen traducirse en episodios de colitis, no tanto porque actúen atacando la mucosa intestinal como porque unas bacterias desencadenan “guerras químicas” contra otra, perjudicando al mismo tiempo al organismo donde se encuentran.

      En la mucosa del aparato genital, por último, se encuentran bacterias y hongos como Candida albicans. Estos organismos pueden desencadenar infecciones vaginales como consecuencia de cambios en el valor del pH del medio.

      Nuestra biota microbiana normal incluye tanto una gran cantidad como una gran variedad de organismos. En cuanto a cantidad, frente a los diez mil millones de células que pueden constituir un organismo medio, el número de microorganismos que habitan en él puede ser un orden de magnitud mayor, es decir, unos cien mil millones de células.

      En cuanto a la diversidad de la biota, solo en la piel podemos encontrar unas 120 especies de bacterias diferentes, mientras que en la boca puede llegar a haber entre 300 y 500 especies distintas. La mayor diversidad, en todo caso, se encuentra en el intestino, donde puede llegar a haber entre 5000 y 35000 especies distintas. Frente a esos datos, el número de especies potencialmente patógenas para el hombre está en torno a las 100, aunque ese número es poco indicativo de la importancia de la presencia de estos organismos. Podemos hacernos una idea más representativa si consideramos la prevalencia de estos organismos, es decir, la frecuencia con la que se encuentran en el ser humano, tanto produciendo enfermedades como sin llegar a provocarlas. Así, se estima que una de cada tres personas están “infectadas” por Mycobacterium tuberculosis (aunque esto no quiere decir que todos ellos tengan la tuberculosis), mientras que una de cada dos personas están infectadas por Helycobacter pylori, y otros tantos por Staphylococcus aureus.

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          La ingeniería genética

          La alteración de las características genéticas de los organismos es una actividad que el ser humano ha practicado desde la antigüedad. Tradicionalmente, la búsqueda de características biológicas útiles para el hombre se ha hecho utilizando mecanismos que no implicaban la alteración directa del material genético. Sin embargo, actividades tales como la selección de los organismos que presentan características interesantes, el cruzamiento de individuos para obtener otros con una combinación más apropiada, o la hibridación de variedades son, en realidad, técnicas que inciden directamente sobre el genoma de esos organismos.
          En el siglo XX, el descubrimiento de la naturaleza química del material genético abrió la puerta a la utilización de nuevas técnicas. Primero fue la mutagénesis dirigida, consistente en tratar a los organismos con un agente mutágeno y seleccionar aquellos que, como resultado de las mutaciones, presentan características interesantes. Más adelante, a partir de los años 70′ del pasado siglo, los conocimientos aportados por la Biología Molecular permitieron la manipulación directa del material genético.
          Habitualmente se suelen confundir los conceptos de manipulación genética y de ingeniería genética. En realidad, la manipulación genética “indirecta” ha existido siempre, como lo muestra la gran diferencia que existe entre los organismos “domesticados” (ya sean animales o plantas) y sus ancestros “silvestres”. Los resultados de la selección artificial en Brassica se muestran en la siguiente imagen.
          La ingeniería genética, por su parte, es el término que suele utilizarse para la alteración directa y dirigida del material genético de un ser vivo.
          La naturaleza química del ADN, y la presencia en los organismos de una gran diversidad de enzimas que son capaces de actuar sobre esta molécula, han permitido a los investigadores utilizar estas máquinas moleculares para alterar de un modo controlado la información genética de los organismos. Gracias a sus propiedades, los biotecnólogos son capaces de manipular el ADN de varios modos diferentes:
          • Extracción: consiste en separar el material genético de una célula del resto de los componentes de la misma. La extracción es el paso inicial, imprescindible, para cualquier otro proceso de manipulación.
          • Corte del ADN: las moléculas de ADN tienen un tamaño enorme, y contienen grandes cantidades de información. Para poder manipularlas de forma más o menos eficaz es necesario trocearlas, para poder alterar solo aquellos fragmentos que tienen los genes que nos interesan. El corte de las moléculas de ADN se realiza utilizando enzimas extraidas de algunos organismos, que actúan, en algunos casos, cortando la molécula en fragmentos de cierto tamaño, y en otros cortando el ADN en zonas concretas, en las que se presentan ciertas secuencias reconocidas por las enzimas de corte (restrictasas).
          • Empalme del ADN: los fragmentos de ADN que han sido obtenidos en los procesos anteriores pueden unirse entre sí o con otros, con ayuda de la ligasa, una de las enzimas que participan en el proceso de replicación de ADN. Esto permite unir un fragmento que se haya seleccionado a otra molécula de ADN, incorporándole las características de ese fragmento.
          • Transformación: reintroducción del material genético manipulado en un organismo para que lo exprese y de lugar a la proteína que se buscaba conseguir.
          La ingeniería genética incluye una gran variedad de técnicas y actividades, aunque como ejemplos se pueden citar algunas de gran interés:
          • Clonación génica: consiste en la identificación, extracción y aislamiento de un gen para integrarlo en el genoma de un organismo diferente. De este modo se consigue que un organismo, normalmente fácil de cultivar en procesos industriales, sea capaz de sintetizar compuestos propios de otros. Un ejemplo ya tradicional de este tipo de técnicas es la cloanción del gen de la insulina: se consiguió aislar el gen humano que codifica para la producción de la insulina, e introducirlo en Escherichia coli, un organismo muy fácil de cultivar, de modo que la bacteria produce, en instalaciones industriales y en grandes cantidades, insulina que puede ser utilizada como medicamento en el tratamiento de la diabetes.

          • Pruebas de ADN: se trata de identificar la procedencia de fragmentos de ADN de origen desconocido, relacionándolos con una muestra cuyo origen sí se conoce. Las pruebas de ADN se basan en el principio de complementariedad de bases, ya que consisten, en definitiva, de asociar una cadena de la molécula problema (la que queremos investigar) con otra que suponemos que es su complementaria. Para poder realizar este tipo de ensayos es necesario contar con una cantidad relativamente grande de ADN problema, lo que se consigue gracias a la técnica llamada “PCR” (reacción en cadena de la polimerasa), que permite multiplicar fácilmente pequeñas cantidades iniciales de ADN. Las aplicaciones prácticas de las pruebas de ADN son muy variadas, y van desde la identificación de personas (por ejemplo, en los casos de investigación forense) hasta el estudio evolutivo, por comparación de las secuencias de ADN de especies extinguidas y actuales, para determinar el grado de parentesco, pasando por aplicaciones médicas como la identificación de genes responsables de la aparición de ciertas enfermedades.
          • Clonación de individuos completos: en este caso se pretende conseguir un organismo completo idéntico en todos los aspectos determinados genéticamente a uno que ya existía. En vegetales es un procedimiento extraordinariamente sencillo, hasta el punto de que cualquier aficionado a la jardinería lo lleva a cabo cuando reproduce una planta mediante esquejes. En animales el proceso es bastante complejo, especialmente en cordados, porque las células del organismo adulto están “diferenciadas”, es decir, han bloqueado la expresión de algunos de sus genes. La primera clonación de vertebrados se llevó a cabo en la década de los 60′ del siglo XX, en un tipo de sapo africano. Sin embargo, no hay duda de que el caso de clonación más conocido es el de la oveja Dolly, que fue el primer mamífero con el que tuvo éxito esta técnica.

          • Terapia génica: consiste en insertar un gen funcional en las células de un paciente humano para corregir un defecto genético o para dotar a las células de una nueva función.

           Clonación de un gen

          La clonación génica consiste en extraer un gen de un organismo e introducirlo en otro distinto, de modo que el segundo sea capaz de producir la proteína codificada por ese gen. Este tipo de técnicas se utilizan para producir medicamentos u otras proteínas de interés (por ejemplo anticuerpos), pero también para que el organismo genéticamente modificado adquiera características de las que inicialmente carecía. En este sentido se han utilizado técnicas de ingeniería genética, por ejemplo, para conseguir que algunas frutas u hortalizas maduren más lentamente, con lo que su duración es mayor.
          La clonación génica pasa por las siguientes etapas:
          1. Extracción del ADN del organismo cuyo gen se quiere clonar.
          2. Fragmentación del ADN extraído.
          3. Identificación/aislamiento del gen buscado.
          4. Introducción del gen en el organismo que va a producir la proteína clonada.
          5. Identificación y selección de los organismos transformados que poseen el gen clonado.
          La extracción del ADN es un proceso relativamente sencillo, gracias a que el ADN es una molécula bastante resistente a los tratamientos químicos. El procedimiento incluye la rotura (lisis) de las células, seguida de una centrifugación en la que se eliminan los restos celulares de mayor tamaño. La separación del ADN del resto de los compuestos solubles se realiza por precipitación con alcohol isopropílico. Una nueva centrifugación da lugar a un precipitado de ADN prácticamente puro.
          El segundo paso de la clonación es la individualización del gen que interesa clonar. El material genético de partida es el genoma completo de un organismo, millones de bases de las que interesan apenas unas mil. Además, no existe un modo directo de encontrar un gen entre tanto material genético. En todo caso, lo primero que hay que hacer con ese material genético es “trocearlo”, utilizando para ello enzimas capaces de cortar la molécula de ADN, que reciben el nombre de restrictasas.
          Existen varios tipos de restrictasas. Algunas de ellas son “inespecíficas”, lo que significa que cortan la cadena de ADN independientemente de la secuencia que éste presente. En ese caso el corte puede producirse al azar o cada cierto número de nucleótidos. Sin embargo, las restrictasas más interesantes para la ingeniería genética son las que reconocen ciertas secuencias de ADN y cortan la molécula precisamente por esas zonas.
          Las secuencias reconocidas por las restrictasas suelen ser palindrómicas, es decir, capicúas, y en muchos casos las enzimas las cortan dejando cadenas con extremos de diferente longitud, como se aprecia en la imagen:
          Los extremos de este corte reciben el nombre de “cohesivos” porque actúan, en cierto sentido, como “tiras de velcro”: las zonas no apareadas se complementan con las de otra molécula de ADN cortadas con la misma enzima, de modo que si se ponen juntos dos fragmentos de ADN cortados con la misma restrictasa (y esta deja fragmentos cohesivos), los extremos de dichos fragmentos se unirán entre sí espontáneamente, permitiendo que vuelvan a unirse.
          En general, el ADN aislado se corta con una enzima de restricción que proporcione extremos cohesivos. Si se conoce la secuencia del gen, se trata de seleccionar una restrictasa que no corte la secuencia del gen. Existe un número considerable de restrictasas, cuya secuencia de corte es conocida, lo que facilita bastante el trabajo en este caso.
          El gen que se busca es uno de los miles de fragmentos que se han obtenido en el proceso de corte. La individualización de los fragmentos de ADN se hace utilizando técnicas de separación, en especial la electroforesis en gel de agarosa. Esta técnica aprovecha el hecho de que el ADN esté cargado eléctricamente a pH fisiológico. Si se aplica un campo eléctrico a una mezcla de moléculas de ADN éstas se mueven hacia el polo positivo, a una velocidad que es inversamente proporcional a su tamaño. De este modo, haciendo correr esas moléculas a través de un gel durante un tiempo fijo es posible separar las moléculas en función de su longitud.

          La electroforesis en gel permite separar entre sí los fragmentos de ADN según su tamaño, lo que facilita su identificación. Sin embargo, no es suficiente; aún es posible que haya cientos de fragmentos de ADN de tamaño similar al que se busca, por lo que sigue siendo necesario localizar el gen concreto que interesa en el proceso. Básicamente, se utilizan dos técnicas para conseguirlo. La más antigua es la elaboración de una “genoteca”, aunque el desarrollo de técnicas más modernas ha permitido utilizar “sondas” para identificar genes.

          La estrategia de elaboración de una genoteca es bastante simple desde el punto de vista conceptual: como no se conoce el fragmento concreto que incluye el gen que se quiere clonar, se utilizan todos en los pasos siguientes. Con ello se obtiene una gran conjutno de poblaciones de organismos transformados con diferentes fragmentos de ADN, cada una de las cuales expresa un fragmento distinto del ADN manipulado. Es decir, tenemos una colección de genes procedentes del organismo inicial, lo que llamamos una genoteca. La población que exprese y produzca la proteína que interesa conseguir será la que utilizaremos más adelante. La ventaja de esta técnica es que, en un solo proceso, se pueden conseguir organismos transformados que expresen muchos genes, algunos de los cuales pueden ser interesantes. El inconveniente más importante es que es necesario manejar un gran número de poblaciones de organismos, lo que hace el proceso muy complejo y costoso.

          La otra estrategia es el uso de sondas para identificar el fragmento de ADN que contiene el gen. Una sonda es un fragmento de un ácido nucleico (ADN o ARN) que se marca para poder reconocerla y que se une específicamente, gracias al principio de complementariedad de bases, a una región específica del ADN. Para identificar un gen a partir de una mezcla de fragmentos de ADN es posible, actualmente, sintetizar  en el laboratorio una sonda de ADN, si se conoce la secuencia de bases o incluso la de aminoácidos de la proteína. Esta sonda, convenientemente marcada, se une al fragmento de ADN con una secuencia complementaria, lo que permite identificar esa secuencia en una electroforesis. A partir de ese momento se tiene el ADN concreto que se buscaba para seguir el proceso de clonación.

          El objetivo final del proceso de clonación, no hay que olvidarlo, es introducir el gen del primer organismo en otro distinto. Para llevar a cabo este proceso hay que superar varios obstáculos, el primero de los cuales es que las células no aceptan sin más ADN extraño en su interior, sino que tratan de degradarlo. No obstante, hay algunos casos en los que sí se produce incorporación funcional de ADN en un organismo (los plásmidos en el caso de las bacterias, las infecciones víricas en todos los tipos celulares). Estos elementos capaces de incorporar ADN a las células que se van a transformar reciben el nombre de vectores, porque “transportan” el fragmento genético clonado hasta el interior de la célula.

          Los vectores más utilizados en la clonación de genes son pues plásmidos o virus que no producen daños en la célula a la que atacan. Los biólogos moleculares que trabajan en este campo se han dedicado, durante mucho tiempo, a “manipular” estos vectores para introducir en ellos las características que resultan interesantes para su uso en la ingeniería genética. Tales características son:

          • Poseer un “gen marcador”, que codifique para una característica fácilmente reconocible. Esto permite identificar a las células que han absorbido y expresado el vector y por tanto el gen clonado.
          • Tener secuencias de corte únicas para las enzimas de restricción que se utilizan en el proceso de clonación. La mayoría de los vectores habituales han sido manipulados hasta tal punto que todos ellos poseen puntos de corte únicos para multitud de restrictasas, localizados en zonas fuera de los genes necesarios para el funcionamiento del vector, de modo que se pueden utilizar en la mayor parte de los procedimientos de clonación sea cual sea la enzima apropiada para cortar el gen.

          El vector se corta con la misma restrictasa que el material genético aislado que contiene el gen. Ambas muestras de ADN se mezclan, con lo que los extremos cohesivos de los dos fragmentos pueden asociarse entre sí gracias a la complementariedad de bases. Los fragmentos asociados así se unen covalentemente con ayuda de la ADN ligasa, de forma que, al final, se posee un “vector recombinante”, una molécula que incluye el material genético del vector unido al fragmento de ADN que se pretende clonar.

          El segundo obstáculo a superar es la propia entrada del material genético en la célula, lo que se conoce como transformación. Para que esto ocurra, hay que hacer que el ADN atraviese, al menos, la membrana celular. El proceso de transformación supone, en general, eliminar la pared celular si está presente y facilitar la formación de “poros” temporales en la membrana de las células, que deben cerrarse una vez que el vector haya tenido la posibilidad de entrar en la célula. Existe una estrategia alternativa, que consiste en utilizar una “pistola de genes”, un aparato que dispara el ADN transformante, situado en la superficie de micropartículas de oro, contra las células a transformar.

          No todas las células que son sometidas a la transformación captan el ADN exógeno. Los genes marcadores de los vectores sirven, en este paso del proceso, para seleccionar las células que sí lo han hecho, utilizando la expresión de dicho gen. Por ejemplo, si el marcador es un gen de resistencia a un antibiótico (como la ampicilina, que se utiliza en ingeniería genética porque no tiene valor clínico), se cultiva las células en presencia de esa sustancia; las que son capaces de crecer incluyen el plásmido.

          De entre las células transformadas, finalmente, se selecciona aquellas que son capaces de producir la proteína de interés, de modo que se ha conseguido expresar el gen en un organismo diferente.

          La clonación de genes suele utilizarse para producir proteínas de interés en microorganismos fáciles de cultivar en condiciones industriales. Por esa razón suelen utilizarse para estos fines bacterias, cuya manipulación es muy sencilla, o también levaduras (como Saccharomyces cerevisiae) y hongos filamentosos (como los de los géneros Aspergillus o Penicillium) que, además de ser fáciles de cultivar, tienen la ventaja de ser eucariotas, con lo que introducen en las proteínas las mismas modificaciones postraduccionales que los organismos de los que proceden, y de secretar las proteínas con gran facilidad, lo que hace más sencilla la recuperacion del producto.

          Pruebas de ADN

          Las pruebas de ADN son procedimientos en los que se compara una muestra “problema” de ADN, cuya identidad se desconoce, con otra conocida, con el propósito de identificarlas. Las técnicas y herramientas concretas que se utilizarán dependen, en buena medida, del objetivo de la prueba, que puede ser relativamente diferente entre unos casos y otros. Entre los usos más habituales de este tipo de técnicas destacan:

          • Identificación forense: el ADN de cada individuo es diferente al de los demás (excepto, claro, en el caso de gemelos idénticos), de modo que si se dispone de una muestra de ADN de identidad conocida, puede emplearse una pequeña cantidad de ADN para identificar, sin lugar a dudas, la identidad del donante problema. Este tipo de pruebas suelen realizarse con propósitos legales, especialmente en la identificación de autores de delitos, o de víctimas desconocidas.
          • Pruebas de parentesco: de modo similar, el ADN de cada individuo comparte un cierto grado de similitud con el de sus parientes (por ejemplo, padres e hijos comparten un 50% de su material genético), de modo que pueden compararse muestras de dos individuos diferentes en busca de parecidos o diferencias. Entre este tipo de pruebas se incluyen, por ejemplo, las de determinación de paternidad: comparando la muestra del individuo con las de sus presuntos padres, puede llegar a determinarse la paternidad con un grado de fiabilidad muchísimo mayor que utilizando las pruebas genéticas tradicionales. Una extensión de este tipo de pruebas es la identificación de relaciones filogenéticas: puede compararse el ADN de especies diferentes para analizar el grado de similitud entre ellas, que está estrechamente relacionado con su parentesco evolutivo.
          • Detección de enfermedades genéticas: la identificación de las versiones “normales” y mutadas de los genes que provocan enfermedades congénitas ayuda al diagnóstico precoz de este tipo de enfermedades, utilizando los genes mutados como sonda para la localización de dicha secuencia en los individuos que se quieren estudiar. El diagnóstico precoz es, en muchos casos, un factor importante en la mejora de la calidad de vida de los pacientes de este tipo de enfermedades.

          En todo caso,  las pruebas de ADN requieren disponer de una cantidad suficiente de muestra para poder ser comparada. La técnica conocida como PCR (reacción en cadena de la polimerasa) ha facilitado en gran medida este proceso, porque proporciona cantidades considerables de ADN a partir de una cantidad muy reducida de muestra.

          La reacción en cadena de la polimerasa, desarrollada en los años 80′ del siglo XX, se basa en la resistencia a la temperatura de la polimerasa de ADN procedente de un organismo termófilo, Tetrahymena thermophila, que se encuentra en las surgencias oceánicas. Los organismos que viven en esos ambientes son capaces de soportar temperaturas extremadamente elevadas, lo que supone que sus proteínas son especialmente resistentes a la desnaturalización por calor. Sabido esto, el fundamento de la técnica de PCR es bastante sencillo: la polimerasa es capaz de copiar moléculas de ADN monocatenario si dispone de un molde y nucleótidos trifosfato, y el ADN bicatenario se separa en sus dos hebras al aumentar la temperatura. Es decir, si se dispone de una cierta cantidad de ADN, se puede calentar para desnaturalizarlo (separarlo en sus hebras). Al añadirle polimerasa y nucleótidos trifosfato, la enzima copia las hebras de ADN. Si al finalizar el proceso se vuelve a calentar, se consigue la separación de las hebras, que pueden volver a servir de molde para un nuevo ciclo de replicación. Entre tanto, la enzima permanece activa gracias a su resistencia a la desnaturalización.

          Así pues, partiendo de una pequeña muestra de ADN, fácil de obtener a partir de casi cualquier tejido biológico, se utiliza la PCR para amplificarla hasta conseguir la cantidad necesaria para realizar la prueba. Si se trata de comparar la muestra problema con un patrón conocido, ambas se cortan con una mezcla de restrictasas que proporcionan un conjunto de fragmentos de diferente tamaño, los cuales, a continuación, se someten a una electroforesis en gel. Se comparan entre sí los fragmentos del “patrón” y del “problema”, lo que proporciona la información buscada.

          • Si se trata de identificar a un individuo, los fragmentos de la muestra patrón y de la muestra problema deben ser idénticos.
          • Si se trata de un análisis de parentesco, es necesario introducir en el estudio muestras de parientes conocidos del individuo (por ejemplo, en el caso de la determinación de paternidad es necesario incluir el ADN materno, para reconocer qué fragmentos proceden de la madre y cuáles pueden proceder del presunto padre).

          En el caso de la detección de enfermedades genéticas, es necesario contar con una sonda de ADN con la secuencia específica que determina la enfermedad. La sonda se marca para poder reconocerla, y se añade a la muestra de ADN del paciente. La mezcla se calienta, para desnaturalizar el ADN, y se busca la presencia de material genético marcado. En caso de que aparezca, significa que está presente el alelo responsable de la enfermedad.
          Clonación de individuos completos

          La clonación de organismos pretende obtener individuos genéticamente idénticos a otros que ya existían. En general, en el caso de las plantas esto no supone ningún tipo de problema, ya que incluso es un proceso natural: la reproducción vegetativa (por esquejes). En el caso de los animales, también existen casos de “clonación natural”: los gemelos idénticos, que se forman a partir de un único cigoto que, durante el proceso de división celular normal, se divide en varios. En algunas ocasiones, cada una de las partes puede llegar a desarrollarse por separado, con lo que se obtiene individuos que son totalmente idénticos entre sí.
          El interés de la clonación, dejando aparte argumentos de ciencia ficción, está, por una parte, en obtener individuos animales que posean las mismas características genéticas que uno dado (por ejemplo ejemplares de ganado). Otra utilidad puede ser la de recuperar especies extinguidas a partir de su material genético conservado, como se ha tratado de hacer en la Universidad de Zaragoza con el sarrio.
          La clonación, en si, es teóricamente sencilla, ya que consiste en sustituir el núcleo de un cigoto por el de una célula somática del organismo que se quiere clonar. Técnicamente, este procedimiento no plantea demasiados problemas; las células son lo suficientemente grandes como para poder ser visualizadas con el microscopio óptico, y se dispone de instrumental adecuado para manipular los núcleos. La célula se inmoviliza con una pipeta que absorbe el aire, haciendo ventosa, y el núcleo se extrae con una microjeringa. Si se trata del óvulo, el núcleo (que solo posee n cromosomas) se desecha. En cambio, si se trata de la célula donante, el núcleo se conserva dentro de la microjeringa y se utiliza para introducirlo en el ovocito.
          El mayor problema de la clonación de animales, especialmente de animales complejos, está en conseguir que las células somáticas adultas se desdiferencien, lo que se consigue manteniéndolas en un medio de cultivo pobre en nutrientes.
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          ¿Qué hay en un gen?

          El de gen es uno de los conceptos biológicos que más ha cambiado de significado a lo largo del tiempo. De hecho, cuando se propusieron las primeras definiciones para este concepto ni siquiera se tenía una idea clara de la realidad material a la que hace referencia (como fragmento de ADN), y en principio se consideraba, simplemente, que un gen era la unidad básica de transmisión de la información genética.

          Más adelante, una vez que se hubo conocido la base química de la herencia de los caracteres hereditarios, se identificó claramente un gen con un segmento de ADN que contiene la información genética suficiente para dar lugar a una proteína. La expresión “un gen, una proteína” se hizo tremendamente popular entre los biólogos moleculares.

          Sin embargo, los avances en biología molecular que se han producido entre 1950 y la actualidad han provocado un cambio considerable en la idea que se tiene acerca de los genes. Uno de los factores que más ha contribuido a ese cambio de visión ha sido el conocimiento del genoma humano en su totalidad, proporcionado por el proyecto Genoma Humano: se sabía que el hombre fabrica unas 90.000 proteínas distintas, por lo que se esperaba que el número de genes fuera de unos 100.000, posiblemente más. Sin embargo, la secuencición total de nuestro genoma arrojó un resultado sorprendente: el número total de genes de la especie humana no supera los 25.000. ¿Cómo puede ser esto posible? Desde luego, no lo es si tratamos de mantener la idea tradicional, propuesta en su momento por Jacques Monod, que establecía la equivalencia entre genes y proteínas. La respuesta puede encontrarse, al parecer, en los intrones.

          Los genes eucariotas no son continuos, sino que están “interrumpidos”. Para explicarlo de una forma más o menos sencilla, un gen vendría a ser como un programa de televisión, con su secuencia lineal de información. En este modelo, un intrón sería, simplemente, un intermedio en el programa: un segmento intercalado que no incluye información significativa en relación con el contenido del resto del programa. Tradicionalmente, desde su descubrimiento, los intrones han sido considerados de este modo, hasta el punto de que se les consideraba “ADN basura”.

          Sin embargo, es difícil pensar que una cantidad semejante de ADN pueda permanecer en un organismo sin proporcionar ninguna ventaja adaptativa: por término medio, un gen humano consta de 7,8 exones y 8,8 intrones. El mantenimiento de los intrones es muy costoso para la célula, ya que supone la síntesis de los nucleótidos que los constituyen y el mantenimiento de tales elementos durante la replicación y la transcripción, en teoría solo para reciclarlos, de nuevo con gasto energético, después del splicing del ARN. La selección natural ejerce una enorme presión en contra de sistemas tan despilfarradores como este, de modo que resulta muy improbable que se mantuviera si no aportara, a cambio, algunas otras ventajas.

          Más aún. Es una idea aceptada entre los biólogos que la importancia evolutiva de un fragmento de ADN es directamente proporcional a su grado de conservación a lo largo de la historia biológica. En efecto, cuanto mayor es la importancia biológica de una secuencia de ADN, más importante es que se conserve activa, por lo que las mutaciones que la afectan son eliminadas en cuanto suponen pérdida de eficacia biológica. Si esto es así, los intrones deben resultar muy importantes porque su grado de conservación es mayor, incluso, que el de las proteínas.

          Si todo esto es así, hay que suponer que los intrones desempeñan funciones biológicas importantes. Los últimos datos disponibles sugieren dos de estas funciones: la reguladora y el incremento de la diversidad genética de los organismos.

          Respecto a la primera de estas funciones, la regulación de la expresión génica, se dispone de pruebas que demuestran que pequeños fragmentos de ARN (microARN), procedentes del procesamiento de los intrones y de otras moléculas no traducidas de ARN, participan en procesos de regulación de la expresión génica relacionados con el desarrollo: mantenimiento de las células madre, proliferación celular y apoptosis (muerte celular programada).
          En cuanto a la segunda función, la generación de diversidad genética, los intrones parecen participar en la existencia de diferentes variedades de proteínas mediante procesos alternativos de procesamiento de ARN. Dicho de otra forma, un mismo gen (o, mejor dicho, una misma unidad de transcripción), puede producir diferentes proteínas en distintos tejidos del organismo, o en distintas condiciones ambientales.

          El procesamiento alternativo consiste en que un mismo transcrito primario de ARN, con varios intrones incluidos, puede ser procesado de modos diferentes, es decir, pueden formarse proteínas con estructuras primarias distintas a partir de la misma secuencia.
          El procesamiento alternativo aporta una posible explicación a la diferencia entre el número de genes del genoma humano y el número de proteínas sintetizadas por él, aunque también requiere una explicación: el modo en que se ha generado. De momento, la hipótesis más plausible supone la participación de transposones, es decir, de elementos génicos que pueden insertarse en diferentes puntos del genoma. En humanos, en particular, las regiones transponibles llamadas “Alu” parecen haber jugado un papel fundamental en la diferenciación de nuestra especie de los primates más emparentados con nosotros. De hecho, una característica peculiar del genoma humano es que posee la proporción de intrones más elevada de todos los genomas estudiados hasta el momento, siendo particularmente numerosas precisamente las secuencias Alu.

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          Mutaciones

          El material genético de los organismos contiene información vital para su funcionamiento, razón por la cual es necesario garantizar su estabilidad y su inmutabilidad. Sin embargo, y a pesar de que los seres vivos poseen mecanismos para asegurarse la fidelidad de los procesos de copia de la información, de vez en cuando se producen cambios en la secuencia de nucleótidos que constituyen el genoma de los organismos. Cualquier cambio de este tipo recibe el nombre de mutación.
          Las mutaciones se deben siempre a la acción de agentes, físicos o químicos, que interaccionan con el ADN celular, alterándolo. Los agentes físicos son algún tipo de energía que puede ser “absorbida” por el material genético, provocando modificaciones en él. Entre este tipo de fenómenos se encuentran las fuentes de radiación como rayos gamma, X o ultravioleta, que pueden interferir con esta molécula; las radiaciones más energéticas pueden llegar a romper físicamente los cromosomas, mientras que las de menor contenido energético, como los rayos ultravioleta, pueden ser absorbidos por algunas bases del ADN que, como resultado de ese proceso, ven cambiar su estructura química, o reaccionan con las bases vecinas.
          Los agentes mutágenos también pueden ser sustancias químicas. En este caso, puede tratarse de compuestos capaces de reaccionar con alguno de los componentes del ADN (por ejemplo los agentes intercalantes, que se introducen dentro de la doble hélice y pueden formar enlaces covalentes con las bases nitrogenadas) o, incluso, pueden ser introducidos dentro de la molécula de ADN en lugar de alguna de las bases correctas (análogos de bases).
          Clasificación de las mutaciones
          Las mutaciones pueden clasificarse en función de diferentes criterios, todos ellos de cierta importancia a la hora de entender los efectos que producen:
          • Según las células que resultan afectadas
            • Mutaciones somáticas: no se transmiten a la descendencia, pero pueden alterar de un modo considerable su funcionamiento y el del organismo en general. El cáncer puede ser el resultado de mutaciones somáticas.
            • Mutaciones germinales: se producen en células de la línea germinal, que darán origen a gametos, por lo que pueden transmitirse a la descendencia del organismo.
          • Según la causa que las produce:
            • Naturales o espontáneas: son producidas por agentes presentes en el entorno de modo natural.
            • Inducidas: producidas por agentes mutágenos.
          • Según los efectos que producen sobre el organismo:
            • Neutras, si no afectan a la capacidad de supervivencia. Ocurren, por ejemplo, cuando cambia un codón por otro sinónimo.
            • Beneficiosas, si incrementan las posibilidades de supervivencia del organismo.
            • Perjudiciales, que a su vez pueden ser:
              • Letales, si producen la muerte de al menos el 90% de sus portadores.
              • Subletales, si provocan la muerte de menos del 10% de los portadores
              • Patológicas, si dan lugar a alguna enfermedad.
          • Según el tipo de determinación genética que suponen:
            • Dominantes
            • Recesivas
            • Condicionales: solo se manifiestan cuando se dan determinadas circunstancias ambientales.
          • Según la alteración genética producida:
            • Génicas: afectan a la secuencia de un solo gen.
            • Cromosomicas: alteran la estructura de los cromosomas.
            • Genómicas: cambian el número de cromosomas.
          Las posibles consecuencias de las mutaciones para una célula o un organismo son muy variables, y pueden suponer la muerte del individuo que las porta (mutaciones deletéreas) o, en casos menos graves, cambios morfológicos o pérdida de función de uno o varios genes. Un caso particular de pérdida de función de un gen lo constituyen las mutaciones bioquímicas o nutritivas, que suponen la imposibilidad de que la célula pueda utilizar o metabolizar algún compuesto químico. A escala de individuo completo, algunas mutaciones de este tipo son la intolerancia a la lactosa, la enfermedad celiaca o la fenilcetonuria (PKU). Muchas de estas mutaciones bioquímicas son, típicamente, mutaciones en las que solo está afectado un gen.
          Mucho menos frecuentes, pero de gran interés desde el punto de vista evolutivo, son las mutaciones en las que se produce la ganancia de función por parte de algún gen. En estos casos, si existen varias copias del mismo gen (lo que es bastante frecuente en los eucariotas) el organismo mantiene la función original, al tiempo que se puede beneficiar de la nueva función adquirida. Este hecho explica la importancia del “ADN basura”, que en realidad representa para los organismos una importante reserva de material genético a partir de la cual desarrollar, mediante mutaciones, nuevas capacidades que pueden llegar a resultarles de utilidad.

          Mutaciones génicas

          Las mutaciones génicas o puntuales son aquellas que afectan solo a un gen. En general, se deben a la ocurrencia de errores durante la replicación del ADN que escapan a la reparación por parte de alguno de los sistemas de reparación con los que cuenta la célula. Se pueden distinguir varios tipos de mutaciones génicas:
          • Sustituciones de una base por otra. Casi siempre afectan a un único triplete, y por lo tanto suponen, como mucho, el cambio de un aminoácido por otro en la proteína resultante. Excepciones a esto se produce si el triplete que resulta de la mutación da lugar a un codón stop, en cuyo caso el resultado final es una proteína “truncada”, más corta que la original y, por lo tanto, muy probablemente inútil, o si se ven afectados los puntos de splicing, es decir, las zonas que determinan el inicio y el final de los exones. Además, si la mutación se produce en la última base de un codógeno, es muy probable que sea una mutación “silenciosa”, porque frecuentemente dará lugar a un codón sinónimo del original. Existen dos posibles tipos de sustitución:
            • Transiciones, que suponen el cambio de una base por otra del mismo grupo (purina por purina o pirimidina por pirimidina)
            • Transversiones, que suponen el cambio de una purina por una pirimidina o viceversa.

            • Mutaciones que afectan al marco de lectura: se trata de cambios en el número de nucleótidos de la cadena. Como la lectura en el ribosoma se produce de forma “modular”, es decir, el ribosoma lee los codones tomando la cadena de ARN de tres en tres nucleótidos, este tipo de mutaciones supone el cambio de la secuencia de la proteína a partir del punto en el que se ha producido la mutación. El resultado es una proteína totalmente diferente a la original, que puede ser más larga o más corta en función de dónde aparezca el nuevo codón de stop.
              • Adición o inserción: consisten en la introducción de una base de más en la cadena de ADN.
              • Supresión o deleción de una base.

            Mutaciones cromosómicas

            El término mutaciones cromosómicas hace referencia a aquellos cambios en el material genético que modifican la estructura de uno o varios cromosomas. Como estas estructuras son observables mediante microscopía óptica, y como pueden “mapearse” mediante técnicas de tinción diferencial que dan lugar a la aparición de bandas de diferente color, las mutaciones cromosómicas resultan fácilmente visibles, lo que ha hecho de ellas un objeto de estudio desde hace mucho tiempo. Básicamente se distinguen dos grandes grupos de modificaciones de este tipo: las que suponen un cambio en el número de genes (por adición o eliminación) y las que “solo” producen un cambio en la posición de los genes.

            • Deleciones: consisten en la pérdida de un fragmento cromosómico, lo que puede ocurrir tanto en uno de los extremos del cromosoma como en su parte intermedia. Cuando ocurren en ambos cromosomas homólogos suelen provocar la muerte del individuo que las porta, por la falta de genes que supone. En heterocigosis su efecto depende del tamaño del fragmento. En humanos, la deleción apreciable más significativa es la pérdida de un fragmento del brazo corto del cromosoma 5, que da lugar a una enfermedad llamada “Grito del gato”, que produce la muerte de los niños al poco de su nacimiento.
            • Duplicaciones: consisten en la aparición repetida de un fragmento de cromosoma como consecuencia de un error durante la replicación. En general, las mutaciones no producen consecuencias perjudiciales. Más bien al contrario, proporcionan material genético nuevo que puede facilitar la evolución, ya que los genes originales siguen existiendo. Muchas familias de genes que dan lugar a proteínas relacionadas tienen este origen.
            • Inversiones: son reorganizaciones de fragmentos de un cromosoma que cambian su orientación respecto al resto del cromosoma, para lo cual ha tenido que producirse la rotura completa de ambas cadenas de ADN, un giro de 180º del fragmento, y su unión en la dirección incorrecta. Pueden afectar al centrómero (inversión pericéntrica) o dejarlo fuera (inversión paracéntrica). Aunque en principio podría parecer que las inversiones no afectan al contenido de la información genética del organismo, en realidad sí que tienen influencia, porque afectan a la meiosis: los fragmentos invertidos no se aparean con su cromosoma homólogo, y los genes incluidos en ellos no se recombinan.
            • Translocaciones: consisten en el desplazamiento de un fragmento de cromosoma a otro lugar del genoma. Puede tratarse de translocaciones no recíprocas, si solo se produce el movimiento de un fragmento, o de translocaciones recíprocas, si se produce el intercambio entre fragmentos de dos cromosomas no homólogos. En la especie humana, uno de los casos más frecuentes es la translocación de casi todo el cromosoma 21 al brazo corto del cromosoma 14 (imagen de la derecha), que da lugar a un individuo con 45 cromosomas pero que puede ser fértil. En este caso se produce el “Síndrome de Down familiar”, única circunstancia en la que esta enfermedad puede heredarse. Las translocaciones pueden tener gran importancia evolutiva, ya que pueden dar lugar a poblaciones de la misma especie con un número diferente de cromosomas, lo que se traduce en que ambos grupos quedan aislados genéticamente entre sí lo que, finalmente, provocará que formen especies distintas.


             Mutaciones genómicas

            Se utiliza este concepto para definir los cambios en el material genético de un organismo que suponen un cambio en su número de cromosomas. Siempre producen consecuencias graves en el individuo, especialmente cuando provocan una pérdida de material genético. Las mutaciones de este tipo que tienen mayor posibilidad de dar lugar a individuos viables si los cromosomas afectados son muy pequeños o los que determinan el sexo del individuo.

            Se distinguen dos tipos de mutaciones genómicas: las que afectan a juegos de cromosomas completos, que reciben el nombre de euploidías (porque cambian la ploidía, el número de cromosomas característico de la especie) y las que provocan la variación en el número de unos pocos cromosomas, que reciben el nombre de aneuploidías:

            • Euploidías: son muy poco frecuentes en animales, pero relativamente habituales en vegetales, en los que suelen dar lugar a nuevas variedades.
              • Monoploidía o haploidia: consiste en la pérdida de un juego completo de cromosomas por parte del individuo, con lo cual todas sus células son haploides, como los gametos.  Existen algunos organismos que son haploides al menos en algunas fases de su vida, pero aparte de esos casos la haploidía es rara. Si los individuos de este tipo sobreviven, pequeño tamaño y poco vigorosos. En todo caso sus gametos son inviables. Es posible beneficiarse de la haploidia inducida, si se puede lograr duplicar los cromosomas de un individuo de este tipo, porque se obtiene un organismo totalmente homocigoto, lo que es prácticamente imposible por otros mecanismos.
              • Poliploidía: se trata del proceso por el cual un organismo aumenta su número de juegos cromosómicos completos. Cuando el organismo sobrevive, lo que ocurre mucho más frecuentemente en plantas que en animales, tiende a ser más grande y más vigoroso que el diploide normal. En vegetales, la poliploidía puede producirse por duplicación del genoma de un único individuo o por hibridación con otra especie (aloploidía). La poliploidía ha sido utilizada habitualmente como mecanismo de mejora genética en vegetales.
            • Aneuploidías: falta o sobra algún cromosoma respecto de la dotación correcta, pero no el juego completo.
              • Nulisomía: faltan los dos cromosomas del mismo par. En general tiene efectos letales, porque el individuo carece por completo de esos genes.
              • Monosomía: Falta una de las copias del cromosoma. En humanos, el único ejemplo de monosomía total (falta de todo el cromosoma) es el síndrome de Turner, consistente en que los individuos que lo presentan poseen un único cromosoma sexual (X0).
              • Trisomía: un cromosoma posee tres copias en lugar de dos. En general, los individuos que la portan son inviables o presentan graves trastornos de todo tipo. En humanos la más conocida es la trisomía del cromosoma 21, que da lugar al síndrome de Down, aunque también pueden producirse trisomías de los cromosomas sexuales (síndrome de Klinefelter, XXY, síndrome de triple X, síndrome XYY, muy relacionado con comportamientos muy violentos) o de otros autosomas, si bien mayoritariamente son inviables.
              • Tetrasomías y pentasomías: aunque son extremadamente raras, se conocen casos de individuos con cuatro o cinco cromosomas sexuales, en diversas combinaciones.

            Importancia biológica  

            Todos los seres vivos son el resultado de un proceso de evolución biológica que se ha producido como consecuencia de un ciclo de variación genética – presión selectiva – selección. Aunque existen diferentes mecanismos para que una variación de las características genéticas se extienda por una población, solo hay un mecanismo molecular posible para originar esa variación: la mutación, en cualquiera de sus formas.

            No todos los tipos de mutaciones son igualmente productivos en términos de posibilidades evolutivas. Los más interesantes desde ese punto de vista son los que permiten la aparición de nuevas características sin pérdida de las originales, porque proporcionan al organismo más posibilidades biológicas de las que tenía. En este sentido, cobran una importancia particular los mecanismos de duplicación (mutación cromosómica) y poliploidía, que proporcionan material genético nuevo, que se añade al que ya existía. Tras esos primeros procesos, las mutaciones puntuales, capaces de modificar la funcionalidad de las proteínas, explican la aparición de alelos nuevos, que pueden tener (o no) características ventajosas.

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            Concepto de gen y regulación de la expresión genética

            El material genético de una célula incluye su ADN (que en el caso de los eucariotas supone tanto el ADN nuclear como el de los orgánulos que lo poseen) y el ARN presente en la célula en un momento determinado. El conjunto de todo el ADN de la célula recibe el nombre de genoma, mientras que el conjunto del ARN presente en ella, que es una selección de este material genético, se denomina transcriptoma.
            No todo el ADN de una célula sirve de molde para producir ARN, o lo que es lo mismo: existen diferencias considerables entre el genoma y el transcriptoma de la célula. La porción de ADN que no da lugar a ARN se denomina no codificante y, aunque hace algún tiempo se denominaba “ADN basura” hoy se sabe que juega importantes papeles en el funcionamiento celular. Según el número de veces que una secuencia de ADN no codificante aparece en el genoma se distinguen los siguientes tipos:
            • ADN altamente repetitivo: está formado por secuencias cortas de nucleótidos que se repiten un elevado número de veces a lo largo de un fragmento de la molécula de ADN. Aparece especialmente en los centrómeros y los telómeros, por lo que se supone que juega un papel estructural.
              • Los telómeros se encuentran en el extremo de los cromosomas. Son particularmente ricos en C+G, lo que hace que en ellos ambas hebras de la doble hélice se mantengan estrechamente unidas, ya que estas bases forman entre sí tres enlaces por puente de hidrógeno frente a los dos que forman A y T. Parece ser que los telómeros sirven para mantener la integridad estructural de los cromosomas, como parece desprenderse del hecho de que las células que sufren más divisiones tienen telómeros más cortos.
              • Los centrómeros permiten la unión de las cromátides entre sí y con los microtúbulos del huso acromático durante la división celular.
            • ADN moderadamente repetitivo, disperso a lo largo de los cromosomas.
            • ADN de copia única. Una buena parte de este ADN tiene funciones relacionadas con la regulación de la expresión génica, es decir, con los procesos que determinan qué genes se expresan en un momento dado.

            El ADN codificante también puede encontrarse como material genético de “copia única”, en cuyo caso lleva información para proteínas, o como ADN moderadamente repetitivo, que incluye los genes que codifican para las histonas o para los ARN ribosómicos y transferentes.

            En resumen, las zonas del genoma que llevan información para la síntesis de proteínas representan solo una pequeña parte del mismo, aproximadamente el 3%, lo que no significa que el resto no cumpla con importantes funciones dentro de la célula.

            Existen diferencias significativas entre la organización del genoma de procariotas y de eucariotas:

            PROCARIOTAS

            EUCARIOTAS

            • Un único cromosoma (genóforo). Pueden
              existir, además, elementos accesorios (plásmidos).

            • Existen siempre varios cromosomas en el núcleo,
              además del genoma de los orgánulos que lo poseen

            • Genes dispuestos uno a continuación del otro; existe
              poco ADN espaciador. En ocasiones, los genes pueden estar incluso
              solapados.

            • Genes separados entre sí por largas regiones de ADN
              espaciador.

            • Casi todas las secuencias del genoma codifican o son
              secuencias reguladoras.

            • Existen muchas secuencias no codificantes, gran parte de
              ellas repetitivas

            • Los genes son continuos

            • Las secuencias codificantes de los genes (exones)
              está interrumpida por secuencias que no llegan a formar parte de
              las moléculas codificadas (intrones).

            La información genética de los organismos está organizada en unidades llamadas genes. Actualmente se sabe que algunos genes (entendidos como fragmentos de ADN que son transcritos en el mismo proceso) codifican más de una macromolécula. Lo que sucede en esos casos es que la molécula inicialmente sintetizada es modificada para dar lugar a otras más pequeñas, como sucede en el caso de los genes que codifican para los ARN ribosómicos, o en muchos genes estructurales bacterianos. También se sabe que algunas proteínas constan de varias cadenas polipeptídicas (proteínas con estructura cuaternaria), por lo que son codificadas por más de un gen.

            Por último, el conocimiento a escala molecular de los procesos relacionados con la expresión genética ha permitido saber que no toda la secuencia de nucleótidos necesaria para la formación de la macromolécula funcional resultado del gen llega a “manifestarse” en esa molécula. Dicho de otra forma, cada gen incluye secuencias de nucleótidos que son necesarias para desarrollar su función, pero que no son “visibles” en el resultado final de su expresión. Esas secuencias incluyen las zonas que dirigen la transcripción (regiones promotoras) y los intrones, fragmentos de ADN que, en los genes eucariotas, se encuentran intercalados entre las regiones que sí que van a dar lugar a la macromolécula final, a modo de “intermedios” intercalados en un programa de televisión.
            La definición actual del término gen incluye una doble perspectiva:
            • Desde el punto de vista funcional, un gen es la unidad mínima de información genética que puede heredarse.
            • Desde el punto de vista estructural se trata de una secuencia lineal y organizada de nucleótidos que contiene la información necesaria para dar lugar a una macromolécula con función celular específica. En este concepto se incluyen tanto las proteínas como los ARN. 
            Regulación de la expresión génica
            Todas las células somáticas de un mismo organismo presentan, en principio, el mismo genoma. No ocurre así con las células germinales (óvulos o espermatozoides), ya que éstas son el resultado de una meiosis, de modo que solo poseen una copia de cada uno de sus genes. Sin embargo, el transcriptoma de dos células distintas puede ser diferente, en función del tejido del que forman parte y de su estado fisiológico (fase del ciclo celular en la que se encuentran, disponibilidad de nutrientes, estado del organismo que influye sobre cada una de las células…). En cada célula existe un conjunto de genes que se expresan de modo casi permanente, en las condiciones de vida habituales para ella (genes constitutivos), mientras que otros solo se expresan en ciertas condiciones, o no se expresan nunca (genes no constitutivos o facultativos). La regulación de la expresión génica incluye los mecanismos que permiten activar o detener los genes facultativos y, en ciertas condiciones, detener la expresión de los constitutivos.
            El conjunto de procesos que determinan qué genes de la célula se transcriben en un momento determinado constituye la regulación genética. Los mecanismos de regulación son de extraordinaria importancia para la célula, porque le permiten tener en cada momento todas las macromoléculas que necesitan para realizar sus funciones, y solo aquellas que utilizan en cada momento, ajustando de este modo su fisiología de un modo óptimo.

            En procariotas los principales mecanismos de regulación afectan a la transcripción de los genes, es decir, al proceso mediante el cual éstos son leídos para producir una molécula de ARN. En general, la unión de la ARN polimerasa al promotor (la secuencia que contiene la TATA box, justo junto al inicio de la transcripción) requiere, además, la participación de otras proteínas que también tienen capacidad para unirse al ADN en otras zonas de su secuencia, las regiones reguladoras del gen que se va a transcribir. Normalmente, en estos tipos de organismos los mecanismos de regulación actúan simultáneamente sobre un conjunto de genes cuyos productos están relacionados, porque intervienen en la misma ruta metabólica. El conjunto de elementos que intervienen en un proceso unitario de regulación de la expresión génica se denomina operón.

            Cada operón incluye varias secuencias genéticas, algunas de las cuales se encuentran juntas, mientras que otras pueden estar alejadas dentro del cromosoma bacteriano:

            • Los genes estructurales: se trata de la región codificante, que da lugar a las proteínas cuya síntesis se regula. Normalmente en los procariotas una única región del ADN que se transcribe de una sola vez sirve de molde para la síntesis de varias proteínas relacionadas.
            • El promotor, zona del ADN donde se une la ARN polimerasa. Incluye la TATA box, y es adyacente a la región codificante.
            • La región reguladora. Esta zona es el punto de unión de las proteínas reguladoras, las cuales permiten o impiden, según los casos, la unión de la ARN polimerasa al promotor y. por tanto, la transcripción del gen.
            • El gen que codifica la proteína reguladora está, en realidad, fuera del operón, pero guarda relación con su funcionamiento.

            La regulación de la expresión génica ocurre como respuesta a una situación fisiológica de la célula. Se desencadena como consecuencia de un estímulo, que es una molécula capaz de unirse a la proteína reguladora. Este hecho hace que dicha proteína cambie su capacidad de asociarse con el ADN, modificando en cadena la posibilidad de que la ARN polimerasa realice su trabajo.

            Existen dos tipos fundamentales de operones, en función de cómo reaccionen al estímulo. Los operones inducibles, como el operón lactosa de Escherichia coli, responden a la llegada del estímulo haciendo que se inicie la transcripción de los genes regulados. Por el contrario, los operones represibles, como el operón triptófano de la misma bacteria, responden haciendo que se detenga la transcripción de esos genes.

            Los eucariotas tienen un genoma y un proceso de expresión génica más complejo que los procariotas  (incluye, por ejemplo, la necesidad de que el ARN sea procesado después de su síntesis). Esto permite que existan más sistemas de control de la expresión:

            • Mecanismos pre-traduccionales: afectan a la integridad del propio genoma o a la estructura del ADN. Por ejemplo, los glóbulos rojos pierden todos sus genes (es un caso extremo), mientras que en ciertas células de algunos organismos el ADN de determinados genes se multiplica más de lo normal, produciéndose en múltiples copias (amplificación génica). Otro mecanismo de control es la modificación química de ciertas bases, en concreto las citosinas de la región promotora de determinados genes, que dificultan su transcripción.
            • Mecanismos transcripcionales: los eucariotas poseen también mecanismos similares a los operones de procariotas, es decir, regiones reguladoras que modifican la unión de las ARN polimerasas. En este caso, esas regiones reguladoras pueden estar lejos o cerca del promotor del gen. Además de estos mecanismos, pueden existir promotores con distintas características, o utilizarse factores de iniciación de la transcripción diferentes para distintos tipos de genes.
            • Mecanismos postranscripcionales: en los organismos eucariotas puede modificarse la maduración del ARN de algunos genes de unos tejidos a otros. También puede alterarse el punto de finalización del gen, modificando el lugar donde se añade la cola poliA, o la estabilidad del ARN sintetizado.
            • Mecanismos traduccionales y postraduccionales: finalmente, puede estar regulado el proceso de traducción o el ciclo de vida de la proteína sintetizada.
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