Recombinación genética
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Estructura de la unión de Hollidayintermedia en recombinación genética . Las cuatro cadenas de ADN separadas son de color rojo, azul, verde y amarillo. [149]
Una hélice de ADN generalmente no interactúa con otros segmentos de ADN, y en las células humanas, los diferentes cromosomas incluso ocupan áreas separadas en el núcleo llamadas " territorios de cromosomas ". [150]Esta separación física de diferentes cromosomas es importante para la capacidad del ADN de funcionar como un depósito estable de información, ya que una de las pocas veces que los cromosomas interactúan es en el cruce cromosómicoque se produce durante la reproducción sexual , cuando ocurre la recombinación genética . El cruce cromosómico es cuando dos hélices de ADN se rompen, intercambian una sección y luego vuelven a unirse.
La recombinación permite que los cromosomas intercambien información genética y produzcan nuevas combinaciones de genes, lo que aumenta la eficiencia de la selección natural y puede ser importante en la rápida evolución de nuevas proteínas. [151] La recombinación genética también puede estar involucrada en la reparación del ADN, particularmente en la respuesta de la célula a las roturas de doble cadena. [152]
La forma más común de cruce cromosómico es la recombinación homóloga , donde los dos cromosomas involucrados comparten secuencias muy similares. La recombinación no homóloga puede ser perjudicial para las células, ya que puede producir translocaciones cromosómicas y anomalías genéticas. La reacción de recombinación es catalizada por enzimas conocidas como recombinasas , como RAD51 . [153] El primer paso en la recombinación es una ruptura de doble cadena causada por una endonucleasa o por un daño al ADN. [154]Una serie de pasos catalizados en parte por la recombinasa conducen a la unión de las dos hélices por al menos una unión de Holliday., en el que un segmento de una sola hebra en cada hélice se recuece a la hebra complementaria en la otra hélice. La unión de Holliday es una estructura de unión tetraédrica que se puede mover a lo largo del par de cromosomas, cambiando una cadena por otra. La reacción de recombinación se detiene luego por escisión de la unión y la re-ligación del ADN liberado. [155] Solo cadenas de polaridad similar intercambian ADN durante la recombinación. Hay dos tipos de división: división este-oeste y división norte-sur. La división norte-sur rompe ambas cadenas de ADN, mientras que la división este-oeste tiene una cadena de ADN intacta. La formación de una unión de Holliday durante la recombinación hace posible que la diversidad genética, los genes se intercambien en los cromosomas y la expresión de genomas virales de tipo salvaje.
Evolución
El ADN contiene la información genética que permite que todas las formas de vida funcionen, crezcan y se reproduzcan. Sin embargo, no está claro cuánto tiempo en la historia de 4 mil millones de años de vida del ADN ha desempeñado esta función, ya que se ha propuesto que las formas de vida más antiguas pueden haber usado el ARN como material genético. [156] [157] El ARN puede haber actuado como la parte central del metabolismo celular temprano ya que puede tanto transmitir información genética como llevar a cabo catálisis como parte de las ribozimas . [158] Este antiguo mundo de ARN donde el ácido nucleico se habría utilizado tanto para la catálisis como para la genética podría haber influido en la evolucióndel código genético actual basado en cuatro bases nucleotídicas. Esto ocurriría, ya que el número de bases diferentes en dicho organismo es una compensación entre un número pequeño de bases que aumenta la precisión de replicación y un gran número de bases que aumentan la eficiencia catalítica de las ribozimas. [159] Sin embargo, no hay evidencia directa de sistemas genéticos antiguos, ya que la recuperación del ADN de la mayoría de los fósiles es imposible porque el ADN sobrevive en el medio ambiente por menos de un millón de años y se degrada lentamente en fragmentos cortos en solución. [160] Se han realizado reclamos por ADN más antiguo, sobre todo un informe del aislamiento de una bacteria viable a partir de un cristal de sal de 250 millones de años, [161] pero estos reclamos son controvertidos. [162] [163]
Los bloques de construcción de ADN ( adenina , guanina y moléculas orgánicas relacionadas ) pueden haberse formado de manera extraterrestre en el espacio exterior . [164] [165] [166] DNA Complex y RNA compuestos orgánicos de vida , incluyendo uracilo , citosina y timina , también se han formado en el laboratorio bajo condiciones que imitan las encontradas en el espacio exterior , utilizando productos químicos de partida, tales como pirimidina , encontrado en los meteoritos . Pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos.(PAH), la sustancia química más rica en carbono que se encuentra en el universo , puede haberse formado en gigantes rojos o en nubes de polvo y gas cósmicas interestelares . [167]
Usos en tecnología
Ingeniería genética
Se han desarrollado métodos para purificar el ADN de los organismos, como la extracción con fenol-cloroformo , y para manipularlo en el laboratorio, como las digestiones de restricción y la reacción en cadena de la polimerasa. La biología y la bioquímica modernas hacen un uso intensivo de estas técnicas en la tecnología de ADN recombinante. El ADN recombinante es una secuencia de ADN hecha por el hombre que se ha ensamblado a partir de otras secuencias de ADN. Se pueden transformar en organismos en forma de plásmidos o en el formato apropiado, utilizando un vector viral . [168] Los modificados genéticamente.Los organismos producidos pueden usarse para producir productos como proteínas recombinantes , utilizados en investigación médica , [169] o cultivarse en la agricultura . [170] [171]
Perfil de ADN
Los científicos forenses pueden usar el ADN en la sangre , el semen , la piel , la saliva o el cabello encontrado en una escena del crimen para identificar el ADN correspondiente de un individuo, como un perpetrador. [172] Este proceso se denomina formalmente perfil de ADN , también llamado huella dactilar de ADN . En los perfiles de ADN, las longitudes de las secciones variables del ADN repetitivo, como las repeticiones cortas en tándem y los minisatélites , se comparan entre las personas. Este método suele ser una técnica extremadamente confiable para identificar un ADN coincidente. [173]Sin embargo, la identificación puede ser complicada si la escena está contaminada con ADN de varias personas. [174] El perfil del ADN fue desarrollado en 1984 por el genetista británico Sir Alec Jeffreys , [175] y se utilizó por primera vez en la ciencia forense para condenar a Colin Pitchfork en el caso de asesinatos de Enderby en 1988 . [176]
El desarrollo de la ciencia forense y la capacidad de obtener ahora un emparejamiento genético en muestras diminutas de sangre, piel, saliva o cabello ha llevado a reexaminar muchos casos. Ahora se puede descubrir evidencia que era científicamente imposible en el momento del examen original. Combinado con la eliminación de la ley de doble riesgo en algunos lugares, esto puede permitir que se vuelvan a abrir los casos en que los juicios anteriores no han producido pruebas suficientes para convencer a un jurado. A las personas acusadas de delitos graves se les puede solicitar que proporcionen una muestra de ADN para propósitos de comparación. La defensa más obvia para los emparejamientos de ADN obtenidos de forma forense es afirmar que se ha producido una contaminación cruzada de pruebas. Esto ha dado lugar a procedimientos de manejo estrictos y meticulosos con nuevos casos de delitos graves.
Los perfiles de ADN también se utilizan con éxito para identificar de manera positiva a las víctimas de incidentes de víctimas en masa, [177] cuerpos o partes de cuerpos en accidentes graves, y víctimas individuales en tumbas de guerra en masa, a través del emparejamiento con miembros de la familia.
El perfil de ADN también se usa en las pruebas de paternidad de ADN para determinar si alguien es el padre biológico o el abuelo de un niño con una probabilidad de parentesco que suele ser del 99,99% cuando el supuesto padre está relacionado biológicamente con el niño. Los métodos normales de secuenciación de ADNocurren después del nacimiento, pero existen nuevos métodos para evaluar la paternidad mientras la madre aún está embarazada. [178]
Enzimas de ADN o ADN catalítico.
Las desoxirribozimas , también llamadas ADNzimas o ADN catalítico, se descubrieron por primera vez en 1994. [179] Son en su mayoría secuencias de ADN monocatenarias aisladas de una gran cantidad de secuencias de ADN aleatorias a través de un enfoque combinado llamado selección in vitro o evolución sistemática de ligandos por enriquecimiento exponencial (SELEX). Las ADNzimas catalizan una variedad de reacciones químicas, incluida la escisión de ARN-ADN, la ligadura de ARN-ADN, la fosforilación-desfosforilación de aminoácidos, la formación de enlaces carbono-carbono, etc. Las ADNzimas pueden mejorar la velocidad catalítica de las reacciones químicas hasta 100.000.000.000 veces durante la reacción no catalizada. [180]La clase de ADNzimas más estudiada son los tipos de segmentación de ARN que se han utilizado para detectar diferentes iones metálicos y diseñar agentes terapéuticos. Se han informado varias ADNzimas específicas de metales, incluida la ADNzima GR-5 (específica de plomo), [179] las ADNzimas CA1-3 (específicas de cobre), [181] la ADNzima 39E (específica de uranilo) y la ADNzima NaA43 ( específico del sodio). [182] La ADNzima NaA43, que se informa que es más de 10,000 veces selectiva para el sodio sobre otros iones metálicos, se usó para hacer un sensor de sodio en tiempo real en las células.
Bioinformática
La bioinformática implica el desarrollo de técnicas para almacenar, extraer datos , buscar y manipular datos biológicos, incluidos los datos de la secuencia del ácido nucleico del ADN . Esto ha llevado a avances ampliamente aplicados en informática , especialmente en algoritmos de búsqueda de cadenas , aprendizaje automático y teoría de bases de datos . [183] Los algoritmos de búsqueda o coincidencia de cadenas, que encuentran una ocurrencia de una secuencia de letras dentro de una secuencia mayor de letras, se desarrollaron para buscar secuencias específicas de nucleótidos. [184] La secuencia de ADN puede alinearse con otras secuencias de ADN para identificarSecuencias homólogas y localiza las mutaciones específicas que las hacen distintas. Estas técnicas, especialmente la alineación de secuencias múltiples , se utilizan en el estudio de lasrelaciones filogenéticas y la función de las proteínas. [185] Los conjuntos de datos que representan el valor total de genomas de secuencias de ADN, como las producidas por el Proyecto del Genoma Humano , son difíciles de usar sin las anotaciones que identifican las ubicaciones de los genes y los elementos reguladores en cada cromosoma. Las regiones de la secuencia de ADN que tienen los patrones característicos asociados con los genes que codifican proteínas o ARN pueden identificarse mediante algoritmos de búsqueda de genes , que permiten a los investigadores predecir la presencia de genes específicos.Los productos genéticos y sus posibles funciones en un organismo incluso antes de que se hayan aislado experimentalmente. [186] También se pueden comparar genomas completos, que pueden arrojar luz sobre la historia evolutiva de un organismo particular y permitir el examen de eventos evolutivos complejos.
Nanotecnología de ADN
La nanotecnología del ADN utiliza las propiedades únicas de reconocimiento molecular del ADN y otros ácidos nucleicos para crear complejos de ADN ramificados autoensamblados con propiedades útiles. [187] El ADN se utiliza así como un material estructural más que como un portador de información biológica. Esto ha llevado a la creación de celosías periódicas bidimensionales (basadas en baldosas y utilizando el método de origami de ADN ) y estructuras tridimensionales en las formas de los poliedros . [188] Los dispositivos nanomecánicos y el autoensamblaje algorítmico también se han demostrado, [189] y estas estructuras de ADN se han utilizado para moldear la disposición de otras moléculas, comoNanopartículas de oro y proteínas de estreptavidina . [190]
Historia y antropología.
Debido a que el ADN recoge mutaciones a lo largo del tiempo, que luego se heredan, contiene información histórica y, al comparar las secuencias de ADN, los genetistas pueden inferir la historia evolutiva de los organismos, su filogenia . [191] Este campo de la filogenética es una herramienta poderosa en biología evolutiva . Si se comparan secuencias de ADN dentro de una especie, los genetistas de poblaciones pueden aprender la historia de poblaciones particulares. Esto se puede utilizar en estudios que van desde la genética ecológica hasta la antropología .
Almacenamiento de informacion
El ADN como dispositivo de almacenamiento de información tiene un enorme potencial, ya que tiene una densidad de almacenamiento mucho mayor en comparación con los dispositivos electrónicos. Sin embargo, los altos costos, los tiempos de lectura y escritura extremadamente lentos ( latencia de memoria ) y la fiabilidadinsuficiente han impedido su uso práctico. [192] [193]
Historia
El ADN fue aislado por primera vez por el médico suizo Friedrich Miescher quien, en 1869, descubrió una sustancia microscópica en el pus de los vendajes quirúrgicos desechados. Como residía en los núcleos de las células, lo llamó "nucleina". [194] [195] En 1878, Albrecht Kossel aisló el componente no proteico de "nucleina", ácido nucleico, y más tarde aisló sus cinco nucleobases primarios . [196] [197]
En 1909, Phoebus Levene identificó la base, el azúcar y la unidad de nucleótidos de fosfato del ARN (entonces denominada "ácido nucleico de levadura"). [198] [199] [200] En 1929, Levene identificó azúcar desoxirribosa en el "ácido nucleico del timo" (ADN). [201] Levene sugirió que el ADN consistía en una cadena de cuatro unidades de nucleótidos unidas entre sí a través de los grupos fosfato ("hipótesis del tetranucleótido"). Levene pensó que la cadena era corta y las bases se repetían en un orden fijo. En 1927, Nikolai Koltsov propuso que los rasgos heredados se heredarían a través de una "molécula hereditaria gigante" formada por "dos cadenas de espejos que se replicarían de forma semiconservadora utilizando cada cadena como plantilla".En 1928, Frederick Griffith en su experimento descubrió que los rasgos de la forma "suave" de neumococo se podían transferir a la forma "áspera" de la misma bacteria al mezclar bacterias "lisas" muertas con la forma "áspera" viva. [204] [205]Este sistema proporcionó la primera sugerencia clara de que el ADN transporta información genética.
En 1933, mientras estudiaba los huevos de erizo de mar vírgenes , Jean Brachet sugirió que el ADN se encuentra en el núcleo celular y que el ARN está presente exclusivamente en el citoplasma . En ese momento, se pensaba que el "ácido nucleico de la levadura" (ARN) se presentaba solo en las plantas, mientras que el "ácido nucleico del timo" (ADN) solo en los animales. Se pensó que este último era un tetramer, con la función de amortiguar el pH celular. [206] [207]
En 1937, William Astbury produjo los primeros patrones de difracción de rayos X que mostraban que el ADN tenía una estructura regular. [208]
En 1943, Oswald Avery , junto con sus compañeros de trabajo Colin MacLeod y Maclyn McCarty , identificaron al ADN como el principio transformador , apoyando la sugerencia de Griffith ( experimento Avery-MacLeod-McCarty). [209] El papel del ADN en la herencia se confirmó en 1952 cuando Alfred Hershey y Martha Chase en el experimento Hershey-Chase mostraron que el ADN es el material genético del fago T2 de enterobacterias . [210]
A fines de 1951, Francis Crick comenzó a trabajar con James Watson en el Laboratorio Cavendish dentro de la Universidad de Cambridge . En 1953, Watson y Crick sugirieron lo que ahora se acepta como el primer modelo correcto de doble hélice de la estructura del ADN en la revista Nature . [9] Su modelo de ADN de doble hélice se basó en una imagen de difracción de rayos X (etiquetada como " Foto 51 ") [211] tomada por Rosalind Franklin y Raymond Goslingen mayo de 1952, y la información que las bases del ADN están emparejadas. El 28 de febrero de 1953, Crick interrumpió el almuerzo de los clientes en el pub The Eagle en Cambridge para anunciar que él y Watson habían "descubierto el secreto de la vida". [212]
Meses antes, en febrero de 1953, Linus Pauling y Robert Coreypropusieron un modelo para los ácidos nucleicos que contienen tres cadenas entrelazadas, con los fosfatos cerca del eje y las bases en el exterior. [213] La evidencia experimental que respalda el modelo de Watson y Crick se publicó en una serie de cinco artículos en el mismo número de Nature . [214] De estos, el artículo de Franklin y Gosling fue la primera publicación de sus propios datos de difracción de rayos X y su método de análisis original que apoyaba en parte el modelo de Watson y Crick; [64] [215] este problema también contenía un artículo sobre la estructura del ADN de Maurice Wilkins y dos de sus colegas, cuyo análisis ylos patrones de rayos X in vivo de B-ADN también apoyaron la presencia in vivo de las configuraciones de ADN de doble hélice como lo propusieron Crick y Watson para su modelo molecular de ADN de doble hélice en las dos páginas anteriores de Nature . [65]En 1962, después de la muerte de Franklin, Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Fisiología o Medicina . [216] Los premios Nobel se otorgan solo a los beneficiarios vivos. Un debate continúa sobre quién debe recibir crédito por el descubrimiento. [217]
En una presentación influyente en 1957, Crick presentó el dogma central de la biología molecular , que predijo la relación entre el ADN, el ARN y las proteínas, y articuló la "hipótesis del adaptador". [218] Confirmación final del mecanismo de replicación que estaba implícito por la estructura de doble hélice seguida en 1958 a través del experimento de Meselson-Stahl . [219] El trabajo adicional de Crick y colaboradores mostró que el código genético se basaba en trillizos de bases no superpuestas, llamados codones , que permiten a Har Gobind Khorana , Robert W. Holley y Marshall Warren Nirenberg descifrar el código genético. [220]Estos hallazgos representan el nacimiento de la biología molecular .
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