Reacción en cadena de la polimerasa para niños
La reacción en cadena de la polimerasa (conocida como PCR) es una técnica muy importante en la biología molecular. Fue creada en 1983 por el científico Kary Mullis. Su objetivo principal es hacer muchísimas copias de un pequeño fragmento de ADN, incluso si al principio solo tenemos una copia de ese fragmento.
Imagina que tienes una frase muy importante en un libro enorme y quieres hacer miles de copias de esa frase para estudiarla mejor. La PCR hace algo parecido con el ADN.
De forma sencilla, así funciona la PCR:
- Primero, se prepara una pequeña hebra sintética de ADN, como una "llave" que busca una parte específica del ADN.
- Luego, se separan las dos cadenas del ADN que queremos estudiar.
- Si la "llave" sintética encuentra su lugar en el ADN, se le "anima" a hacer copias. Para esto, se le dan los materiales y las herramientas necesarias (enzimas).
- Este proceso se repite muchas veces, haciendo que el fragmento de ADN crezca de ser algo microscópico a algo que podemos detectar fácilmente.
- Al final, se pueden leer y estudiar esos fragmentos de ADN amplificados.
Gracias a la PCR, es mucho más fácil identificar virus o bacterias que causan enfermedades. También ayuda a identificar personas (por ejemplo, en casos forenses) o a hacer investigaciones científicas sobre el ADN. Esta técnica es tan útil que se usa mucho en laboratorios y en el campo forense, lo que ha hecho que el equipo necesario sea más accesible.
Plantilla:Ficha de técnica
Contenido
¿Cómo funciona la PCR?
Esta técnica se basa en una habilidad natural de las ADN polimerasas, que son como pequeñas máquinas que copian el ADN. Para que funcionen, la PCR usa ciclos de temperaturas altas y bajas. Primero, se calienta el ADN para separar sus dos cadenas. Luego, se enfría para que las cadenas se vuelvan a unir y se puedan copiar de nuevo.
La PCR fue mejorada por Kary Mullis en la década de 1980. Al principio, la técnica era lenta porque las enzimas que copiaban el ADN se dañaban con el calor. Había que añadir nuevas enzimas en cada ciclo. Pero luego se descubrieron ADN polimerasas especiales, como la polimerasa Taq, que vienen de microorganismos que viven en lugares muy calientes. Estas enzimas pueden soportar las altas temperaturas (hasta 95 °C) sin dañarse.
Hoy en día, todo el proceso de la PCR se hace de forma automática con un aparato llamado termociclador. Este aparato calienta y enfría los tubos de reacción para controlar la temperatura en cada etapa. Los tubos que se usan son muy delgados para que el calor se transmita rápidamente.
La PCR es una técnica muy común y esencial en muchos laboratorios de investigación. Se usa para:
- Copiar ADN para estudiarlo.
- Entender cómo funcionan los genes.
- Diagnosticar problemas de salud que se heredan.
- Identificar personas usando sus "huellas genéticas" (en casos forenses o pruebas de parentesco).
- Detectar y diagnosticar enfermedades causadas por microbios.
¿Qué se necesita para hacer una PCR?
Para realizar la PCR, se necesitan varios ingredientes:
- Los cuatro bloques de construcción del ADN (dNTPs): Son las "letras" (A, T, C, G) que se usan para construir nuevas cadenas de ADN.
- Dos cebadores o iniciadores: Son pequeñas secuencias de ADN (como "señales de inicio") que se unen a los extremos del fragmento de ADN que queremos copiar. Indican a la polimerasa dónde empezar a copiar.
- Iones de magnesio (Mg2+): Ayudan a la polimerasa a funcionar correctamente.
- Iones de potasio: También son importantes para la reacción.
- Una solución amortiguadora (buffer): Mantiene el nivel de acidez (pH) adecuado para que la polimerasa trabaje bien.
- ADN polimerasa: La enzima que copia el ADN. La más común es la polimerasa Taq.
- ADN molde: Es el ADN original que contiene la parte que queremos copiar.
- Termociclador: El aparato que controla los cambios de temperatura.
Conceptos clave de la PCR
Para entender mejor la PCR, es útil conocer estos términos:
- Sensibilidad: Se refiere a la cantidad mínima de ADN que se necesita para que la técnica funcione. Si una muestra tiene muy poco ADN, podría dar un resultado negativo aunque el ADN esté presente.
- Especificidad: Significa que la PCR solo copia el fragmento de ADN que nos interesa y no otras partes. Esto es importante para evitar resultados incorrectos.
- Eficiencia: Es la cantidad máxima de ADN que se puede copiar en un número determinado de ciclos.
- Fidelidad: Se refiere a la precisión con la que la ADN polimerasa copia el ADN. Una buena fidelidad significa menos errores en las copias.
Pasos del ciclo de amplificación
El proceso de PCR se repite en ciclos, generalmente entre 20 y 35 veces. Cada ciclo tiene varios pasos a diferentes temperaturas:
Inicio
Al principio, la reacción se calienta a una temperatura muy alta (94-96 °C) durante unos minutos. Esto es para activar algunas polimerasas que necesitan calor para empezar a trabajar.
Desnaturalización
En este paso, el ADN se calienta a 94-95 °C. Esta alta temperatura hace que las dos cadenas de la doble hélice del ADN se separen, como si abriéramos una cremallera.
Alineamiento o unión del cebador
Después de separar las cadenas, la temperatura baja a 40-68 °C. En este momento, los cebadores (las "señales de inicio") se unen a sus lugares específicos en las cadenas de ADN separadas. Los cebadores marcan los límites de la región de ADN que se va a copiar.
Extensión o elongación de la cadena
La temperatura sube a unos 72 °C, que es la temperatura ideal para la polimerasa Taq. La ADN polimerasa empieza a trabajar, usando los cebadores como punto de partida. Va añadiendo los bloques de construcción del ADN (dNTPs) para crear una nueva cadena de ADN que es complementaria a la cadena original. Así, de cada cadena original se forma una nueva.
Elongación final
Después de todos los ciclos, se realiza un último paso a 70-74 °C durante varios minutos. Esto asegura que todas las cadenas de ADN que quedaron incompletas se terminen de copiar.
Conservación
Finalmente, la reacción se enfría a 4-15 °C para guardar las muestras por un tiempo corto.
Para saber si la PCR ha funcionado y ha copiado el fragmento de ADN esperado, se usan técnicas como la electroforesis. Esta técnica separa los fragmentos de ADN por su tamaño, permitiendo ver si se ha obtenido el fragmento correcto.
Mejorando la PCR
A veces, la PCR puede fallar o dar resultados inesperados. Aquí te explicamos algunas cosas importantes para que funcione bien:
- Evitar la contaminación: La PCR es muy sensible, lo que significa que puede copiar incluso una cantidad mínima de ADN. Por eso, es crucial evitar que ADN no deseado (de otras muestras o del ambiente) contamine la reacción. Esto podría llevar a resultados incorrectos. Para evitarlo, se toman muchas precauciones, como limpiar muy bien el área de trabajo, usar guantes y batas, y tener zonas separadas en el laboratorio para cada paso.
- Diseño de cebadores: Los cebadores son clave para que la PCR sea específica. Deben tener una longitud adecuada (normalmente entre 18 y 30 "letras" de ADN) y no deben unirse entre sí. Un buen diseño asegura que solo se copie el fragmento de ADN deseado.
- Elegir la polimerasa adecuada: Hay diferentes tipos de polimerasas, y cada una tiene sus propias características. Elegir la correcta puede mejorar mucho los resultados de la PCR.
- Condiciones del tampón: La solución amortiguadora (buffer) debe tener la composición correcta para que las enzimas funcionen de manera óptima.
- El termociclador: El aparato debe funcionar correctamente para asegurar que los cambios de temperatura sean precisos y rápidos.
Otras cosas que pueden afectar la PCR incluyen:
- ADN dañado: Si el ADN original está muy fragmentado o dañado, puede ser difícil copiarlo.
- Sustancias inhibidoras: Algunas sustancias en la muestra (como las de la sangre) pueden impedir que la PCR funcione. Es necesario purificar la muestra antes.
- Modificaciones del ADN: Ciertas sustancias o la luz ultravioleta pueden cambiar el ADN, afectando los resultados.
Tipos de PCR
Existen muchas variaciones de la PCR, cada una diseñada para un propósito específico:
PCR anidada
Esta técnica es muy sensible y específica. Se hace una primera PCR, y el producto de esa reacción se usa como molde para una segunda PCR con cebadores que se unen dentro del primer fragmento amplificado. Esto ayuda a asegurar que solo se copie el ADN que realmente nos interesa.
PCR múltiple
Permite copiar varias secuencias de ADN al mismo tiempo en un solo tubo. Esto es útil para obtener mucha información de una sola muestra, ahorrando tiempo y reactivos. Sin embargo, requiere una cuidadosa preparación para que funcione bien.
PCR con transcriptasa inversa (RT-PCR)
Esta variante se usa cuando el material inicial es ARN en lugar de ADN. Primero, una enzima llamada transcriptasa inversa convierte el ARN en ADN, y luego se realiza una PCR normal. Es muy útil para estudiar virus que tienen ARN como material genético.
PCR en tiempo real o PCR cuantitativa (qPCR)
Esta PCR no solo copia el ADN, sino que también permite saber cuánto ADN o ARN había en la muestra original. Utiliza una señal fluorescente que aumenta a medida que se copia el ADN, lo que permite monitorear la reacción en vivo. Es muy precisa para medir la cantidad de un gen o de un virus.
Otras variaciones
Hay muchas otras variaciones de la PCR, como:
- PCR específica de alelo: Para identificar pequeñas diferencias en el ADN.
- PCR asimétrica: Para copiar preferentemente una de las dos cadenas de ADN.
- PCR hot-start: Para evitar copias no deseadas al inicio de la reacción.
- PCR inversa: Para copiar secuencias de ADN cuando solo se conoce una parte de ellas.
Aplicaciones de la PCR
La PCR es una herramienta muy versátil con muchísimas aplicaciones en diferentes campos:
Investigación
En los laboratorios de investigación, la PCR es fundamental. Se usa para:
- Clonar ADN: Copiar fragmentos de ADN y colocarlos en "vehículos" (vectores) para estudiarlos o modificarlos.
- Detectar y analizar ADN: Es la base de muchas otras técnicas para estudiar el material genético.
Medicina
En medicina, la PCR es una herramienta clave para el diagnóstico:
- Diagnóstico de enfermedades hereditarias: Permite detectar cambios en el ADN que causan enfermedades. Se puede usar para analizar el ADN de futuros padres o de bebés antes de nacer.
- Identificación de microbios: Ayuda a saber qué bacteria o virus está causando una infección. Por ejemplo, en el caso del VIH, la PCR puede medir la cantidad de virus en la sangre.
- Pruebas de rutina: Se usa en bancos de sangre para detectar infecciones en donantes, incluso si aún no tienen síntomas.
- Trasplantes: Ayuda a asegurar la compatibilidad en trasplantes de tejidos.
- Terapias personalizadas: Puede detectar cambios en el ADN de tumores para ayudar a elegir el mejor tratamiento para el cáncer.
Paleontología, antropología y ciencias forenses
La PCR ha sido de gran ayuda en estos campos, ya que permite estudiar restos muy antiguos o muy pequeños:
- Restos antiguos: En paleontología y antropología, la PCR permite recuperar pequeñas cantidades de ADN de fósiles o restos muy antiguos, incluso de especies extintas como el hombre de Neandertal. Esto ayuda a entender la evolución y las relaciones entre especies.
- Ciencias forenses: Se usa para identificar personas o para obtener pruebas a partir de muestras muy pequeñas dejadas en la escena de un crimen, como saliva o restos de tejidos.
Agronomía y diversidad
La PCR también se usa en la agricultura para:
- Identificar variedades de cultivos: Permite distinguir entre diferentes tipos de plantas cultivadas, lo que es útil para mejorar los cultivos.
- Estudiar la diversidad genética: Ayuda a entender la variedad genética dentro de las poblaciones de plantas y animales.
Historia de la PCR
En 1971, ya se había descrito un método para copiar ADN usando enzimas, pero no fue muy conocido. La invención de la PCR se atribuye generalmente a Kary Mullis en 1983.
Un gran avance para la PCR fue el descubrimiento en 1976 de la polimerasa Taq. Esta enzima se encontró en una bacteria que vive en lugares muy calientes. La polimerasa Taq es especial porque puede soportar las altas temperaturas necesarias para separar las cadenas de ADN sin dañarse. Esto hizo que el proceso de PCR fuera mucho más eficiente y permitió que se automatizara con el termociclador.
Mullis trabajaba en una empresa de biotecnología cuando tuvo la idea de la PCR. Él mismo contó que la idea le vino mientras conducía. Se dio cuenta de que podía copiar regiones específicas de ADN repitiendo ciclos de duplicación. Por su invención, Kary Mullis recibió el Premio Nobel de Química en 1993.
Galería de imágenes
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Electroforesis de proteínas SDS-PAGE resolviendo la polimerasa Taq.
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Técnica TaqMan
Véase también
En inglés: Polymerase chain reaction Facts for Kids
