Secuenciación de ADN: definición, métodos, ejemplos

Los nucleótidos son los componentes químicos básicos de la vida y se encuentran en el ADN de los organismos vivos. Cada nucleótido consta de un azucar, fosfato y un base que contiene nitrógeno: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). El orden específico de estas bases de nucleótidos determina qué proteínas, enzimas y moléculas serán sintetizadas por la célula.

Determinar el orden, o la secuencia de nucleótidos, es importante para el estudio de mutaciones, evolución, progresión de la enfermedad, pruebas genéticas, investigación forense y medicina.

Genómica es el estudio del ADN, los genes, las interacciones de los genes y las influencias ambientales sobre los genes. El secreto para desentrañar el complejo funcionamiento interno de los genes es poder identificar su estructura y ubicación en los cromosomas.

El plano de los organismos vivos está determinado por el orden (o secuencia) de los pares de bases de ácidos nucleicos en el ADN. Cuando el ADN se replica, la adenina se empareja con la timina y la citosina con la guanina; los pares no coincidentes se consideran

Desde la doble hélice ácido desoxirribonucleico (ADN) se conceptualizó en 1953, se han realizado mejoras dramáticas en el campo de la genómica y la secuenciación de ADN a gran escala. Los científicos están trabajando diligentemente para aplicar este nuevo conocimiento al tratamiento individualizado de enfermedades.

Al mismo tiempo, las discusiones en curso permiten a los investigadores adelantarse a las implicaciones éticas de estas tecnologías en rápida expansión.

La secuenciación de ADN es el proceso de descubrir la secuencia de varias bases de nucleótidos en fragmentos de ADN. La secuenciación de genes completos permite comparaciones de cromosomas y genomas presentes en la misma especie y en diferentes especies.

El mapeo de los cromosomas es útil para la investigación científica. Analizar los mecanismos y la estructura de genes, alelos y mutaciones cromosómicas en moléculas de ADN sugieren nuevas formas de tratar trastornos genéticos y detener el crecimiento de tumores cancerosos, por ejemplo.

Métodos de secuenciación de ADN de Frederick Sanger avanzó mucho en el campo de la genómica a partir de la década de 1970. Sanger se sintió listo para abordar la secuenciación del ADN después de secuenciar con éxito el ARN al estudiar la insulina. Sanger no fue el primer científico en incursionar en la secuenciación del ADN. Sin embargo, sus ingeniosos métodos de secuenciación de ADN, desarrollados en conjunto con sus colegas Berg y Gilbert, obtuvieron un premio Nobel en 1980.

Sanger conocía el valor potencial de su trabajo y a menudo colaboraba con otros científicos que compartían sus intereses en el ADN. Biología Molecular y ciencias de la vida.

Aunque lentos y costosos en comparación con las tecnologías de secuenciación actuales, los métodos de secuenciación de ADN de Sanger fueron elogiados en ese momento. Después de prueba y error, Sanger encontró la “receta” bioquímica secreta para separar hebras de ADN, crear más ADN e identificar el orden de los nucleótidos en un genoma.

Se pueden comprar fácilmente materiales de alta calidad para su uso en estudios de laboratorio:

• ADN polimerasa es la enzima necesaria para producir ADN.
• Cebador de ADN le dice a la enzima dónde comenzar a trabajar en la cadena de ADN.
• dNTP son moléculas orgánicas compuestas de azúcar desoxirribosa y trifosfatos de nucleósidos - dATP, dGTP, dCTP y dTTP - que ensamblan proteínas
• Terminadores de cadena son nucleótidos de color colorante, también llamados nucleótidos terminadores para cada base: A, T, C y G.

Sanger descubrió cómo cortar el ADN en pequeños segmentos utilizando la enzima ADN polimerasa.

Luego hizo más ADN a partir de una plantilla e insertó trazadores radiactivos en el nuevo ADN para demarcar secciones de las hebras separadas. También reconoció que la enzima necesitaba una imprimación que pudiera unirse a un punto específico en la hebra de la plantilla. En 1981, Sanger volvió a hacer historia al descubrir el genoma de los 16.000 pares de bases del ADN mitocondrial.

La temperatura debe ajustarse cuidadosamente durante todo el proceso de secuenciación. Primero, se agregan productos químicos a un tubo y se calientan para desenredar (desnaturalizar) el doble filamento Molécula de ADN. Luego, la temperatura se enfría, permitiendo que la imprimación se adhiera.

A continuación, se eleva la temperatura para estimular la actividad óptima de la ADN polimerasa (enzima).

La polimerasa generalmente usa los nucleótidos normales disponibles, que se agregan en una concentración más alta. Cuando la polimerasa llega a un nucleótido ligado a un colorante de "terminación de cadena", la polimerasa se detiene y el la cadena termina allí, lo que explica por qué los nucleótidos teñidos se denominan "terminación de cadena" o "Terminadores".

El proceso continúa muchas, muchas veces. Finalmente, el nucleótido ligado a un colorante se ha colocado en cada una de las posiciones de la secuencia de ADN. La electroforesis en gel y los programas de computadora pueden identificar los colores del tinte en cada una de las cadenas de ADN y averiguar la secuencia completa de ADN en función del tinte, la posición del tinte y la longitud de la hebras.

Secuenciación de alto rendimiento - generalmente conocido como secuenciación de próxima generación - utiliza nuevos avances y tecnologías para secuenciar bases de nucleótidos de forma más rápida y económica que nunca. Una máquina de secuenciación de ADN puede manejar fácilmente tramos de ADN a gran escala. De hecho, los genomas completos se pueden realizar en cuestión de horas, en lugar de años con las técnicas de secuenciación de Sanger.

Los métodos de secuenciación de próxima generación pueden manejar análisis de ADN de gran volumen sin el paso adicional de amplificación o clonación para obtener suficiente ADN para la secuenciación. Las máquinas de secuenciación de ADN ejecutan múltiples reacciones de secuenciación a la vez, lo que es más barato y más rápido.

Esencialmente, la nueva tecnología de secuenciación de ADN ejecuta cientos de reacciones de Sanger en un microchip pequeño y fácilmente legible que luego se ejecuta a través de un programa de computadora que ensambla la secuencia.

La técnica lee fragmentos de ADN más cortos, pero sigue siendo más rápida y eficiente que los métodos de secuenciación de Sanger, por lo que incluso los proyectos a gran escala pueden completarse rápidamente.

La Proyecto Genoma Humano, completado en 2003, es uno de los estudios de secuenciación más famosos realizados hasta la fecha. Según un artículo de 2018 en Noticias de ciencia, el genoma humano consta de aproximadamente 46,831 genes, que fue un desafío formidable para secuenciar. Los mejores científicos de todo el mundo pasaron casi 10 años colaborando y consultando. Dirigido por la Investigación Nacional del Genoma Humano

Institute, el proyecto trazó con éxito el mapa del genoma humano utilizando una muestra compuesta tomada de donantes de sangre anónimos.

El Proyecto Genoma Humano se basó en métodos de secuenciación de cromosomas artificiales bacterianos (basados ​​en BAC) para mapear pares de bases. La técnica utilizó bacterias para clonar fragmentos de ADN, lo que resultó en grandes cantidades de ADN para secuenciar. A continuación, los clones se redujeron de tamaño, se colocaron en una máquina de secuenciación y se ensamblaron en tramos que representaban el ADN humano.

Los nuevos descubrimientos en genómica están cambiando profundamente los enfoques para la prevención, detección y tratamiento de enfermedades. El gobierno ha destinado miles de millones de dólares a la investigación del ADN. La aplicación de la ley se basa en el análisis de ADN para resolver casos. Los kits de prueba de ADN se pueden comprar para uso doméstico para investigar la ascendencia e identificar variantes de genes que pueden presentar riesgos para la salud:

• Análisis genómico implica comparar y contrastar las secuencias del genoma de muchas especies diferentes en los dominios y reinos de la vida. La secuenciación del ADN puede revelar patrones genéticos que arrojan nueva luz sobre cuándo se introdujeron evolutivamente ciertas secuencias. La ascendencia y la migración pueden rastrearse mediante análisis de ADN y compararse con registros históricos.

• Avances en medicina están ocurriendo a un ritmo exponencial porque prácticamente todas las enfermedades humanas tienen un componente genético. La secuenciación del ADN ayuda a los científicos y médicos a comprender cómo interactúan varios genes entre sí y con el medio ambiente. La secuenciación rápida del ADN de un nuevo microbio que causa un brote de enfermedad puede ayudar a identificar medicamentos y vacunas eficaces antes de que el problema se convierta en un problema grave de salud pública. Las variantes de genes en células cancerosas y tumores podrían secuenciarse y usarse para desarrollar terapias génicas individualizadas.

• Ciencia forense Las aplicaciones se han utilizado para ayudar a las fuerzas del orden a resolver miles de casos difíciles desde finales de la década de 1980, según el Instituto Nacional de Justicia. La evidencia de la escena del crimen puede contener muestras de ADN de huesos, cabello o tejido corporal que se pueden comparar con el perfil de ADN de un sospechoso para ayudar a determinar la culpabilidad o la inocencia. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es un método comúnmente utilizado para hacer copias de ADN a partir de pruebas antes de la secuenciación.

• Secuenciación de especies recién descubiertas puede ayudar a identificar qué otras especies están más estrechamente relacionadas y revelar información sobre la evolución. Los taxonomistas usan “códigos de barras” de ADN para clasificar organismos. De acuerdo con la Universidad de Georgia en mayo de 2018, se estima que hay 303 especies de mamíferos aún por descubrir.

• Pruebas genéticas para enfermedades. busque variantes de genes mutados. La mayoría son polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), lo que significa que solo un nucleótido de la secuencia se cambia de la versión "normal". Los factores ambientales y el estilo de vida afectan cómo y si se expresan ciertos genes. Las empresas globales ponen a disposición de los investigadores de todo el mundo las tecnologías de secuenciación de última generación de nueva generación interesados ​​en las interacciones multigénicas y la secuenciación del genoma completo.

• Kits de ADN de genealogía usan secuencias de ADN en su base de datos para buscar variantes en los genes de un individuo. El kit requiere una muestra de saliva o un hisopo bucal que se envía por correo a un laboratorio comercial para su análisis. Además de la información de ascendencia, algunos kits pueden identificar polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) u otros variantes genéticas bien conocidas como los genes BRCA1 y BRCA2 asociados con un riesgo elevado de mama femenina y cáncer de ovarios.

Las nuevas tecnologías a menudo conllevan la posibilidad de un beneficio social, además de un daño; los ejemplos incluyen plantas de energía nuclear que funcionan mal y armas nucleares de destrucción masiva. Las tecnologías de ADN también conllevan riesgos.

Las preocupaciones emocionales sobre la secuenciación del ADN y las herramientas de edición de genes como CRISPR incluyen temores de que el La tecnología podría facilitar la clonación humana o conducir a animales transgénicos mutantes creados por un pícaro. científico.

Más a menudo, las cuestiones éticas relacionadas con la secuenciación del ADN tienen que ver con el consentimiento informado. El fácil acceso a las pruebas de ADN directas al consumidor significa que es posible que los consumidores no comprendan completamente cómo se utilizará, almacenará y compartirá su información genética. Es posible que los profanos no estén emocionalmente preparados para aprender sobre las variantes genéticas defectuosas y los riesgos para la salud.

Los terceros, como los empleadores y las compañías de seguros, podrían discriminar a las personas que portan genes defectuosos que pueden dar lugar a problemas médicos graves.