Gene targeting para niños
La modificación genética dirigida (también conocida como gene targeting) es una técnica especial que usan los científicos para cambiar un gen específico en un organismo. Imagina que un gen es como una instrucción en el libro de recetas de la vida. Con esta técnica, los científicos pueden "apuntar" a una instrucción en particular para modificarla o incluso apagarla.
Esta técnica fue desarrollada por el biólogo Mario Capecchi, quien ganó un Premio Nobel por su trabajo. Permite a los investigadores estudiar qué hace un gen al observar qué sucede cuando ese gen no funciona o ha sido cambiado. Es una herramienta muy útil en la investigación de la salud y la biología.
La modificación genética dirigida puede ser permanente o activarse solo en momentos específicos del desarrollo de un organismo o en ciertos tipos de células. Para cada gen que se quiere modificar, se necesita crear una herramienta especial de ADN. Esta técnica es muy versátil y se puede usar en casi cualquier tipo de gen.
Contenido
¿Cómo Funciona la Modificación Genética Dirigida?
El método para realizar la modificación genética dirigida varía según el organismo que se esté estudiando. Aquí te explicamos cómo se hace en ratones y musgos, que son organismos muy usados en la investigación.
Pasos en Ratones
Para modificar genes en ratones, se suelen seguir estos pasos:
- Primero, se crea una pieza de ADN especial en el laboratorio, usando bacterias. Esta pieza contiene una parte del gen que se quiere cambiar, además de un "gen reportero" y un "marcador de selección" que ayudan a los científicos a encontrar las células modificadas.
- Luego, esta pieza de ADN se introduce en células madre embrionarias de ratón, que se cultivan en el laboratorio.
- Se seleccionan las células que han incorporado correctamente la modificación y se inyectan en un embrión de ratón.
- El ratón que nace es una "quimera", lo que significa que tiene algunas células modificadas y otras no. Los científicos luego seleccionan los ratones que tienen el cambio genético en todas sus células, incluyendo las que forman sus órganos reproductivos. Así, las futuras generaciones de ratones también tendrán el gen modificado.
Para que la modificación genética dirigida funcione, el ADN que se introduce debe contener una plantilla de reparación. Esta plantilla tiene la modificación deseada y está rodeada de secuencias de ADN que son idénticas a la región del gen que se quiere cambiar. A veces, también se usan genes que producen "nucleasas", que son como tijeras moleculares que cortan el ADN en el lugar exacto donde se quiere hacer el cambio, lo que ayuda a que la modificación sea más eficiente.
Pasos en Musgos
En el caso de los musgos, el ADN se mezcla con células de musgo recién aisladas y una sustancia llamada polietilenglicol. Como los musgos son organismos "haploides" (tienen una sola copia de cada gen), los cambios genéticos se pueden ver directamente. Este método es tan eficiente en musgos como en la levadura, otro organismo muy estudiado. La modificación genética dirigida también se ha usado con éxito en animales como vacas, ovejas y cerdos, así como en varios tipos de hongos.
La frecuencia de la modificación genética dirigida puede mejorar mucho usando herramientas especiales llamadas "endonucleasas diseñadas", como las nucleasas de dedos de zinc o las nucleasas TAL. Estos métodos se han aplicado en moscas de la fruta, tabaco, maíz, células humanas, ratones y ratas.
Comparación con Otras Técnicas Genéticas
La ingeniería genética es un campo amplio que incluye varias técnicas para cambiar el ADN de un organismo. Dentro de ella, encontramos la edición del genoma y la modificación genética dirigida.
Modificación Genética vs. Edición Genómica
- La edición del genoma se refiere a hacer cambios pequeños y muy específicos en el ADN de un organismo, en un lugar exacto. A menudo, esto se hace después de cortar el ADN con herramientas como CRISPR.
- La modificación genética (en un sentido más tradicional) suele describir la inserción de ADN "extraño" (como un gen de otra especie) en un lugar al azar dentro del genoma.
- La modificación genética dirigida es una herramienta específica que puede hacer cambios pequeños en un sitio exacto (como la edición del genoma) o insertar genes completos en un lugar específico. Si inserta ADN de otra especie, se consideraría también una forma de modificación genética.
Modificación Genética Dirigida vs. Mutagénesis Dirigida
Las dos formas más conocidas de edición de genes son la modificación genética dirigida y la mutagénesis dirigida.
- La modificación genética dirigida se basa en un proceso de reparación del ADN llamado "reparación dirigida por homología" (HDR), que es muy preciso y permite introducir cambios específicos.
- La mutagénesis dirigida utiliza otra vía de reparación del ADN llamada "unión de extremos no homólogos" (NHEJ). Esta vía es más propensa a errores y puede insertar o eliminar pequeñas piezas de ADN al azar. Aunque no se puede controlar el cambio exacto, sí se puede elegir dónde ocurrirá el cambio usando herramientas como CRISPR para cortar el ADN en un lugar específico.
Existen otras técnicas de edición de genes más recientes, como la edición de base y la edición principal, que también usan métodos basados en CRISPR. Estas técnicas pueden crear cambios definidos por el usuario en lugares específicos del genoma, pero tienen limitaciones en la longitud de las secuencias de ADN que pueden insertar. Por eso, la modificación genética dirigida sigue siendo el método principal para insertar secuencias largas de ADN en un lugar específico del genoma.
¿Para Qué se Usa la Modificación Genética Dirigida?
La modificación genética dirigida se ha usado mucho para estudiar enfermedades genéticas humanas. Esto se logra "apagando" genes específicos (lo que se llama "bloqueo de genes" o knockout) o añadiendo mutaciones de interés.
Gracias a los avances en esta tecnología, ahora se pueden crear modelos de enfermedades humanas muy precisos en el laboratorio. Estos modelos son muy útiles para los investigadores, ya que facilitan el desarrollo de nuevos medicamentos y métodos de diagnóstico, especialmente en el estudio del cáncer.
Aplicaciones en Plantas
La modificación genética dirigida también se usa en la ingeniería genética de plantas para insertar secuencias específicas. Aunque la técnica se desarrolló en ratones en los años 80, aplicarla en plantas ha sido más difícil. Esto se debe a que las plantas superiores tienen tasas bajas de recombinación homóloga y de absorción de ADN.
Sin embargo, se han hecho muchos esfuerzos para mejorar la frecuencia de la modificación genética dirigida en plantas. La mejora más importante ha sido el uso de nucleasas específicas como CRISPR, que crean cortes en el ADN y facilitan la inserción de nuevas secuencias. Otras estrategias incluyen aumentar el número de copias de la plantilla de reparación de ADN y optimizar las herramientas CRISPR para el cultivo de tejidos vegetales.
Algunas de las plantas en las que se ha aplicado la modificación genética dirigida incluyen la Arabidopsis thaliana (una planta modelo muy usada), arroz, tomate, maíz, tabaco y trigo.
¿Cómo se Regulan los Organismos Modificados?
La modificación genética dirigida puede crear diferentes tipos de cambios genéticos: desde mutaciones muy pequeñas (como las que ocurren naturalmente) hasta la inserción de secuencias más largas, que podrían incluir genes completos de otras especies. Esto hace que la regulación de los organismos creados con esta técnica sea un desafío.
Para ayudar a clasificar los organismos modificados genéticamente, se han propuesto categorías como "SDN1", "SDN2" y "SDN3", que se refieren a las nucleasas dirigidas al sitio (como CRISPR-Cas) usadas para crearlos. Estas clasificaciones pueden ayudar a los países a decidir qué tipo de organismos consideran "modificados genéticamente" y, por lo tanto, cuáles están sujetos a regulaciones más estrictas.
- SDN1: Organismos creados con mutaciones aleatorias, sin usar una plantilla de reparación de ADN. A menudo tienen menos requisitos regulatorios.
- SDN2: Organismos con una o varias mutaciones específicas introducidas usando una plantilla de reparación de ADN (esto es modificación genética dirigida).
- SDN3: Organismos con secuencias más largas insertadas en un sitio específico. Estas secuencias pueden ser elementos genéticos completos. A menudo se consideran organismos modificados genéticamente debido a la inserción de ADN "extraño".
Galería de imágenes
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Dos ratones knockout
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Physcomitrella de tipo salvaje y musgos knock-out: Desviación de fenotipos inducidos en transformantes de bibliotecas de alteración de genes. Se cultivaron plantas transformadas y de tipo salvaje de Physcomitrella en medio Knop mínimo para inducir la diferenciación y el desarrollo de gametóforos. Para cada planta, se muestra una descripción general (fila superior, la barra de escala corresponde a 1 mm) y un primer plano (fila inferior, la barra de escala equivale a 0,5 mm). A, Planta de musgo de tipo salvaje haploide completamente cubierta con gametóforos frondosos y primer plano de una hoja de tipo salvaje. B-D, Diferentes mutantes.
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Un diagrama de Venn para mostrar la relación entre tres tipos de 'ingeniería genética'; Modificación genética, direccionamiento de genes y edición del genoma.
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Posibles resultados de la reparación del ADN después del corte por CRISPR, lo que lleva a la edición de genes. Ambas cadenas de ADN son cortadas por CRISPR-Cas (u otra nucleasa específica del sitio) para crear una ruptura de doble cadena (DSB). Luego, el DSB se repara a través de dos vías de reparación de ADN alternativas (NHEJ o HR) para provocar mutaciones aleatorias en el sitio de corte ("mutagénesis dirigida") o mutaciones específicas si se proporciona una plantilla de reparación que contiene esas ediciones específicas ("dirigida a genes").
Véase también
En inglés: Gene targeting Facts for Kids
