Àcids Nucleics, Biotecnologia i Enginyeria Genètica: Aplicacions

Àcids Nucleics: Tipus i Composició

Els àcids nucleics són biomolècules fonamentals. N'hi ha de dos tipus principals:

• ADN (Àcid Desoxiribonucleic): Conté les bases nitrogenades Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) i Timina (T).
• ARN (Àcid Ribonucleic): Conté Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) i Uracil (U).

Ambdós estan formats per unitats repetitives anomenades nucleòtids. Cada nucleòtid consta de tres components: un grup fosfat (àcid fosfòric), un glúcid (sucre: desoxiribosa en l'ADN, ribosa en l'ARN) i una base nitrogenada.

Tipus d'ARN

• ARNm (ARN missatger): Està format per una llarga cadena lineal que no es plega sobre si mateixa. S'anomena missatger perquè transporta la informació genètica des de l'ADN fins als ribosomes, necessària per a la síntesi de proteïnes. Conté la informació per especificar la seqüència d'aminoàcids d'una proteïna.
• ARNr (ARN ribosòmic): Format per una cadena plegada que s'uneix a certes proteïnes per formar els ribosomes. Els ribosomes són els orgànuls cel·lulars on té lloc la síntesi de proteïnes. Són de diferents mides.
• ARNt (ARN de transferència): Format per una cadena lineal que en algunes zones es plega i les seves bases complementàries s'uneixen, adoptant una forma característica. La seva missió és unir-se específicament a un aminoàcid i transportar-lo fins als ribosomes, on reconeix el codó corresponent a l'ARNm per incorporar l'aminoàcid a la cadena proteica en creixement. Són de petita grandària.

Funció de l'ADN i Traducció de l'ARN Missatger

Funció de l'ADN: La funció principal de l'ADN és emmagatzemar i mantenir la informació genètica de forma estable. Això assegura que, quan una cèl·lula es divideixi, les cèl·lules filles rebin una còpia idèntica de la informació genètica de la cèl·lula progenitora.

Traducció de l'ARN missatger: És el procés pel qual la informació continguda en l'ARNm es fa servir per sintetitzar una proteïna. L'ARNm determina l'ordre en què s'uniran els aminoàcids. Cada grup de tres bases nitrogenades consecutives en l'ARNm forma un codó, que especifica un aminoàcid concret (o una senyal d'inici/aturada). Els ARNt transporten els aminoàcids fins al ribosoma. Cada ARNt té una seqüència de tres bases anomenada anticodó, que és complementària a un codó de l'ARNm. En els ribosomes, l'ARNm entra en contacte amb l'ARNt, de manera que s'aparellen específicament els codons de l'ARNm amb els anticodons de l'ARNt carregat amb l'aminoàcid corresponent. El conjunt de correspondències entre codons i aminoàcids es coneix com a codi genètic.

Genoma Humà

El projecte Genoma Humà va tenir diversos objectius clau:

• Localitzar i situar en els cromosomes els diferents gens humans.
• Determinar la seqüència completa de nucleòtids que formen el genoma humà, incloent cada un dels gens.
• Esbrinar la funció dels gens, sovint comparant les seves seqüències amb les de gens de funció coneguda en altres organismes.
• Determinar les proteïnes que codifiquen aquests gens.
• Esbrinar el paper que tenen els gens i les seves alteracions en l'aparició de certes malalties.

Biotecnologia i Enginyeria Genètica

Biotecnologia: És la utilització d'organismes vius, o parts dels mateixos (com enzims), per obtenir o modificar productes, millorar plantes o animals, o desenvolupar microorganismes per a objectius específics (industrials, mèdics, ambientals, etc.).

Enginyeria genètica: És una branca fonamental de la biotecnologia que es basa en la manipulació directa i deliberada de l'ADN. Implica tècniques per aïllar, modificar, tallar i unir fragments d'ADN, i transferir-los d'un organisme a un altre (fins i tot entre espècies diferents). Això permet la creació d'organismes modificats genèticament (OMG), la correcció de defectes genètics (teràpia gènica) o la fabricació de nombrosos compostos d'interès (fàrmacs, enzims). Per introduir un gen en un altre organisme, sovint s'insereix primer el gen (clon) en petites molècules d'ADN transportadores anomenades vectors de clonació (com plasmidis o virus modificats), formant així un ADN híbrid o ADN recombinant.

Aplicacions de la Biotecnologia i l'Enginyeria Genètica

Aplicacions en Medicina

• Producció de fàrmacs i proteïnes terapèutiques mitjançant organismes modificats genèticament (bacteris, llevats, cèl·lules en cultiu):
  • Factor antihemofílic (tractament de l'hemofília)
  • DNasa I (tractament de la fibrosi quística)
  • Eritropoetina (EPO) (tractament de l'anèmia)
  • Glucocerebrosidasa (tractament de la malaltia de Gaucher)
  • Hormona de creixement (tractament del nanisme hipofisiari)
  • Insulina (tractament de la diabetis)
  • Interferons (tractament de leucèmies, hepatitis víriques, esclerosi múltiple)
• Teràpia gènica: Tècnica experimental orientada a la curació de malalties genètiques. Consisteix a localitzar el gen defectuós responsable de la malaltia i introduir una còpia funcional del gen a les cèl·lules afectades del pacient per reemplaçar o compensar la funció del gen alterat.

Aplicacions en Agricultura

• Desenvolupament de plantes amb característiques millorades:
• Retard en la maduració dels fruits (millor conservació postcollita).
• Millora de l'assimilació de nitrogen atmosfèric (reducció de la necessitat de fertilitzants).
• Resistència a herbicides (permet eliminar males herbes sense danyar el cultiu).
• Resistència a l'atac d'insectes (plantes Bt que produeixen toxines insecticides).
• Resistència a malalties (causades per virus, fongs o bacteris).
• Producció de substàncies d'interès en les plantes (vitamines, vacunes comestibles, etc.).

Aplicacions en Producció Animal

• Modificació genètica d'animals per millorar la producció:
• Peixos transgènics que creixen més ràpid.
• Vaques transgèniques que produeixen més llet o llet amb composició modificada (p. ex., amb proteïnes humanes).
• Animals resistents a malalties.

Aplicacions Industrials

• Producció a gran escala de:
• Aminoàcids (additius alimentaris, pinsos).
• Enzims (detergents, indústria alimentària, processos químics).
• Plàstics biodegradables.
• Adhesius biològics.
• Cautxú.
• Fibres especials.

Millora del Medi Ambient

• Ús d'organismes (sovint modificats genèticament) per a la bioremediació:
• Obtenir vegetals capaços d'absorbir i acumular metalls pesants del sòl (fitoremediació).
• Utilitzar microorganismes per eliminar l'excés de nitrats de l'aigua.
• Desenvolupar ceps bacterians que degraden els hidrocarburs presents en vessaments de petroli.

Tècniques de Reproducció Assistida i Clonació

Inseminació Artificial (IA)

Consisteix a processar i concentrar els espermatozoides d'una mostra de semen per dipositar-los directament a l'aparell genital femení (normalment a l'úter) en el moment proper a l'ovulació, per tal de facilitar la fecundació. El semen sobrant, si n'hi ha, es pot criopreservar (congelar) per utilitzar-lo en cicles posteriors d'inseminació o per a investigació (amb el consentiment adequat).

Fecundació In Vitro (FIV)

Consisteix en la fecundació dels òvuls amb els espermatozoides fora del cos de la mare, en un medi de cultiu al laboratori. Els embrions resultants es cultiven durant uns dies i després es transfereixen a l'úter matern amb la finalitat que s'implantin i es desenvolupin. En els éssers humans, el procés generalment inclou les fases següents:

1. Estimulació ovàrica: La dona rep un tractament hormonal per estimular els ovaris a produir múltiples òvuls madurs en un sol cicle.
2. Punció fol·licular: Els òvuls madurs s'obtenen dels ovaris mitjançant una petita intervenció quirúrgica (punció), normalment guiada per ecografia transvaginal.
3. Fecundació i cultiu embrionari: Es realitza la unió entre els òvuls obtinguts i els espermatozoides (prèviament preparats) en el laboratori. Els embrions resultants es cultiven en incubadores especials durant 2 a 6 dies.
4. Transferència embrionària: S'utilitza una cànula fina per transferir un o diversos embrions seleccionats a l'interior de l'úter de la dona.

Selecció i Conservació d'Embrions

Selecció: Durant el cultiu in vitro, es valora la qualitat i el desenvolupament dels embrions. Es seleccionen els de millor qualitat per a la transferència. En alguns casos, es pot realitzar el Diagnòstic Genètic Preimplantacional (DGP), una tècnica que permet analitzar genèticament els embrions abans de la transferència per seleccionar aquells que no presenten certes anomalies cromosòmiques o malalties genètiques hereditàries. La reducció embrionària (eliminació selectiva d'embrions implantats en embarassos múltiples d'alt ordre) és un procediment diferent i menys freqüent avui dia gràcies a la tendència a transferir menys embrions.

Conservació: Els embrions de bona qualitat que no es transfereixen en el cicle de FIV es poden conservar per a futurs intents mitjançant criocongelació (vitrificació), emmagatzemant-los en nitrogen líquid a temperatures molt baixes (-196 °C). Si la parella o la dona ho autoritzen, aquests embrions congelats poden ser transferits en un cicle posterior. Segons la legislació i el consentiment informat, els embrions sobrants també poden ser donats a altres parelles, donats per a investigació o, eventualment, descartats.

La Clonació

El terme 'clonació' pot tenir diferents significats:

• Clonació gènica (en enginyeria genètica): Es refereix a aïllar un fragment específic d'ADN (com un gen) i obtenir múltiples còpies idèntiques del mateix, normalment inserint-lo en un vector i multiplicant-lo dins d'un organisme hoste (com bacteris).
• Clonació d'organismes (en embriologia): És una tècnica de reproducció asexual per obtenir un o diversos individus genèticament idèntics a un altre individu preexistent o idèntics entre si.

Tipus de Clonació d'Organismes:

• Clonació per gemmació artificial (o separació de blastòmers): Consisteix en la separació de les cèl·lules (blastòmers) d'un embrió en un estadi molt inicial de desenvolupament (p. ex., 2-8 cèl·lules). Cadascuna d'aquestes cèl·lules, si és totipotent, pot donar lloc a un embrió complet i, per tant, a un individu. El resultat són individus genèticament idèntics entre si (com bessons monozigòtics), però no necessàriament idèntics als progenitors originals (ja que provenen d'un embrió obtingut per fecundació).
• Clonació per transferència nuclear de cèl·lules somàtiques (TNCS): Aquesta és la tècnica que es considera l'autèntica clonació en el sentit de crear una còpia genètica d'un individu ja existent (com l'ovella Dolly). El procés consisteix a extreure el nucli (que conté l'ADN) d'una cèl·lula somàtica (qualsevol cèl·lula del cos que no sigui un gàmeta) de l'individu que es vol clonar. Aquest nucli s'introdueix en un òvul al qual prèviament se li ha extret el seu propi nucli (òvul enucleat). L'òvul reconstruït es tracta (amb estímuls químics o elèctrics) per activar-lo com si hagués estat fecundat, formant un 'zigot' artificial. Aquest 'zigot' comença a dividir-se i a desenvolupar-se com un embrió normal. Aquest embrió clonat es pot:
  • Implantar en l'úter d'una mare subrogada per intentar obtenir un nou individu genèticament idèntic al donant del nucli (clonació reproductiva).
  • Cultivar al laboratori per obtenir cèl·lules mare embrionàries genèticament idèntiques al donant (clonació terapèutica), amb potencial ús en medicina regenerativa.

Existeix també la possibilitat teòrica de combinar la TNCS amb la separació de blastòmers de l'embrió clonat resultant, la qual cosa permetria obtenir múltiples individus genèticament idèntics entre si i també idèntics a l'individu donant del nucli original.