Ejercicio resuelto de Biotecnología y Genética Molecular: vacunas de ARNm, ADN complementario y expresión génica (Modelo 0 PAU Madrid)
La biotecnología y la genética molecular son dos bloques fundamentales en Biología de 2º de Bachillerato, especialmente cuando se estudian técnicas como la obtención de ADN complementario, el uso de enzimas de restricción, la clonación de genes en bacterias y la producción de vacunas de ARNm. Este tipo de ejercicios permite relacionar conceptos clave como la transcripción inversa, la traducción, los ribosomas, los plásmidos bacterianos y la respuesta inmunitaria.
A continuación resolvemos paso a paso un ejercicio típico de genética molecular relacionado con la producción de una vacuna frente a un virus de ARN monocatenario, utilizando como ejemplo el gen que codifica una proteína vírica inmunogénica.
Enunciado del ejercicio
1. En relación con la biotecnología y la genética molecular:
Con objeto de crear mediante ingeniería genética una vacuna frente a un virus de ARN monocatenario, se generó en primer lugar su ADN complementario. Posteriormente, se cortó ese ADN para aislar el fragmento que contiene el gen que codifica una proteína S inmunogénica. Dicho fragmento se clonó y se introdujo en bacterias para producir el ARNm correspondiente. Finalmente, este ARNm se inoculó en humanos, en cuyas células se traduce para generar grandes cantidades de la proteína S. Esta proteína se localiza en la superficie celular o se secreta al medio extracelular, induciendo una respuesta inmune contra el virus.
El esquema representa las siguientes etapas:
Se pide:
a) Indique con qué enzima se obtendría el ADN complementario a partir del genoma viral; e indique qué tipo de enzima usaríamos a continuación para cortar este ADN complementario y aislar el fragmento que contenga el gen viral S. Razone si el ARN viral se podría clonar directamente en un vector plasmídico.
b) Indique en qué orgánulos celulares se produce la traducción de los ARNm de la proteína S y dónde se localizan estos orgánulos en el interior de las células humanas. Explique qué ocurriría si en el ARNm introducido en dichas células se produce una mutación por la que se pierde el codón AUG.
c) Razone brevemente si para elaborar una vacuna de ARNm a partir de un virus de ADN habría que seguir los mismos pasos descritos en el enunciado.
d) En el caso de que quisiéramos clonar un gen eucariótico para expresarlo en una bacteria, ¿por qué no podemos usar directamente el ADN genómico y sí el ADN complementario retrotranscrito a partir del ARNm del gen?
Os explicamos el proceso en detalle, después tenéis una respuesta resumida para que no tengáis que utilizar 2 bolígrafos
a) Obtención del ADN complementario, corte del ADN y clonación en plásmidos
Para obtener ADN complementario, también llamado ADNc, a partir del genoma de un virus de ARN, se utiliza la enzima transcriptasa inversa o retrotranscriptasa.
Esta enzima permite sintetizar una molécula de ADN usando como molde una molécula de ARN. Es decir, realiza el proceso contrario a la transcripción normal. En la transcripción habitual, a partir de ADN se obtiene ARN; en cambio, con la transcriptasa inversa, a partir de ARN se obtiene ADN.
Una vez obtenido el ADN complementario, para cortarlo y aislar el fragmento que contiene el gen S, se usarían enzimas de restricción, también llamadas endonucleasas de restricción.
Estas enzimas reconocen secuencias específicas de nucleótidos en el ADN y cortan la molécula en puntos concretos. Gracias a ellas se puede obtener el fragmento de ADN que contiene el gen de interés, en este caso el gen que codifica la proteína S.
El ARN viral no se podría clonar directamente en un vector plasmídico, porque los plásmidos son moléculas de ADN circular presentes en bacterias. Para insertar un gen en un plásmido, dicho gen debe estar en forma de ADN, no de ARN. Además, las enzimas de restricción y la ADN ligasa actúan sobre ADN, no sobre ARN.
Por tanto, primero es necesario transformar el ARN viral en ADN complementario mediante la transcriptasa inversa. Después, el ADNc puede cortarse con enzimas de restricción e insertarse en un plásmido bacteriano.
Respuesta resumida:
La enzima que permite obtener ADN complementario es la transcriptasa inversa. Para cortar el ADN se utilizan enzimas de restricción. El ARN viral no puede clonarse directamente en un plásmido porque los plásmidos son ADN y las técnicas de clonación bacteriana trabajan con ADN, no con ARN.
b) Traducción del ARNm de la proteína S y efecto de la pérdida del codón AUG
La traducción del ARNm se produce en los ribosomas.
Los ribosomas son orgánulos no membranosos encargados de sintetizar proteínas a partir de la información contenida en el ARNm. En las células humanas, que son células eucariotas, los ribosomas pueden encontrarse en dos localizaciones principales:
- Libres en el citoplasma, donde sintetizan proteínas que suelen quedarse en el interior celular.
- Unidos al retículo endoplasmático rugoso, donde sintetizan proteínas destinadas a la secreción, a la membrana plasmática o a orgánulos del sistema endomembranoso.
En este ejercicio, la proteína S puede localizarse en la superficie celular o secretarse al medio extracelular. Por tanto, su síntesis estará relacionada principalmente con los ribosomas asociados al retículo endoplasmático rugoso, ya que este participa en la producción de proteínas de membrana y proteínas secretadas.
El codón AUG tiene una función fundamental, porque actúa como codón de inicio de la traducción. Además, codifica para el aminoácido metionina.
Si en el ARNm introducido en las células humanas se produce una mutación por la que se pierde el codón AUG, los ribosomas no reconocerían correctamente el punto de inicio de la traducción. Como consecuencia, la síntesis de la proteína S no se iniciaría correctamente.
Esto podría provocar que:
- no se sintetizara la proteína S;
- o que la traducción comenzara en otro codón AUG posterior, si existiera, generando una proteína más corta y probablemente no funcional.
En ambos casos, la vacuna perdería eficacia, porque las células humanas no producirían correctamente la proteína S y, por tanto, el sistema inmunitario no la reconocería de forma adecuada.
Respuesta resumida:
La traducción ocurre en los ribosomas, localizados libres en el citoplasma o unidos al retículo endoplasmático rugoso. Si se pierde el codón AUG, la traducción no se iniciaría correctamente, por lo que no se produciría la proteína S normal y la respuesta inmune sería insuficiente o inexistente.
c) Vacuna de ARNm a partir de un virus de ADN
Si el virus fuese un virus de ADN, no sería necesario seguir exactamente los mismos pasos.
En el caso de un virus de ARN, primero hay que obtener ADN complementario mediante la transcriptasa inversa, porque para clonar el gen en un plásmido necesitamos ADN. Sin embargo, si el virus ya tiene un genoma de ADN, no haría falta convertir ARN en ADN.
En ese caso, se podría aislar directamente el gen de interés a partir del ADN viral, por ejemplo mediante enzimas de restricción o técnicas de amplificación como la PCR, y después clonarlo para obtener el ARNm correspondiente.
Por tanto, los pasos posteriores serían parecidos: aislar el gen, clonarlo, producir el ARNm y utilizarlo para que las células humanas sinteticen la proteína inmunogénica. Pero se eliminaría el paso de obtención de ADN complementario mediante transcriptasa inversa.
Respuesta resumida:
No habría que seguir exactamente los mismos pasos. Si el virus es de ADN, no es necesario obtener ADN complementario mediante transcriptasa inversa, porque el material genético ya está en forma de ADN. El resto del proceso sí sería similar.
d) Clonación de un gen eucariótico en una bacteria: ADN genómico frente a ADN complementario
Si queremos clonar un gen eucariótico para expresarlo en una bacteria, no conviene usar directamente el ADN genómico.
La razón principal es que los genes eucariotas suelen estar formados por:
- exones, que son las regiones codificantes;
- intrones, que son regiones no codificantes que se eliminan durante la maduración del ARNm.
En las células eucariotas, cuando se transcribe un gen, primero se forma un ARN precursor. Después, este ARN sufre un proceso de maduración llamado splicing, en el que se eliminan los intrones y se unen los exones. Así se obtiene un ARNm maduro que puede traducirse correctamente.
Las bacterias, en cambio, no poseen el mismo sistema de maduración del ARNm que las células eucariotas. Por tanto, si introducimos en una bacteria un gen eucariótico con intrones, la bacteria no sabrá eliminarlos. Como consecuencia, no podrá producir correctamente la proteína.
Por eso se utiliza ADN complementario, obtenido a partir del ARNm maduro del gen. Este ADNc contiene solo la información de los exones, es decir, la secuencia codificante continua necesaria para fabricar la proteína.
Respuesta resumida:
No se usa directamente el ADN genómico eucariótico porque contiene intrones y las bacterias no pueden eliminarlos. Se usa ADN complementario obtenido a partir del ARNm maduro, ya que este no contiene intrones y permite que la bacteria exprese correctamente la proteína.
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