Losproyectos genómicos son empresas científicas que intentan identificar la secuencia genómica completa de un organismo y la ubicación y función de los genes presentes en el genoma.
La bioinformática ha sido otro factor clave que ha permitido leer, almacenar y organizar los datos orgánicos recogidos por científicos de todo el mundo a un ritmo más rápido que antes.
Labioinformática es la ciencia que se ocupa de recopilar y analizar grandes cantidades de datos biológicos complejos, como los códigos genéticos.
Proyecto Genoma Humano
Un proyecto genómico consiste en recoger y secuenciar muchas muestras de ADN de varios donantes de la misma especie. Las secuencias de ADN obtenidas crean un genoma de referencia. La secuenciación del genoma ha ayudado enormemente a la comunidad científica a comprender las funciones e interacciones de distintos genes en diferentes organismos. Los proyectos de genoma completo suelen crearse mediante el enfoque de escopeta de genoma completo (WGS). Este enfoque implica secuenciar por separado múltiples fragmentos de ADN superpuestos y luego ensamblar virtualmente los pequeños fragmentos en cromosomas utilizando algoritmos informáticos que identifican las secuencias de los fragmentos.
El Proyecto Genoma Humano (PGH ) fue un proyecto internacional de investigación científica cuyo objetivo era secuenciar todo el ADN humano e identificar la ubicación y la función de todos los genes del genoma humano. El HGP fue y sigue siendo el mayor proyecto biológico de colaboración a nivel mundial. Se inició el 1 de octubre de 1990 y se declaró finalizado el 14 de abril de 2003.
La estructura de doble hélice del ADN se descubrió en 1953, el HGP se completó en 2003 y CRISPR/Cas9 (un método eficaz para editar el ADN de las células) se descubrió en 2012. En menos de 60 años, ¡pasamos de no saber mucho sobre el ADN a secuenciar y cartografiar todos los genes del genoma humano y saber cómo editar los genes dentro de las células! ¿Qué crees que podrán hacer los científicos en el futuro?
Proyectos de secuenciación del genoma
Los métodos de secuenciación del ADN evolucionan constantemente y se hacen más sencillos, pero su principio se basa en la secuenciación de Sanger , un método automatizado inventado por Fredrick Sanger en 1977.
¡Fredrick Sanger recibió su segundo Premio Nobel de Química por inventar el método Sanger de secuenciación del ADN!
El proceso Sanger de secuenciación del ADN puede dividirse en tres pasos:
- Reacción en cadena de la polimerasa (PCR): Los métodos automatizados de secuenciación del ADN requieren grandes cantidades de ADN. Esto se consigue amplificando primero las muestras de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR).
Puedes obtener más información sobre la PCR en nuestro artículo Reacción en cadena de la polimerasa.
- Dideoxirribonucleótido trifosfato marcado con fluorescencia (DdNTP): A la muestra de ADN amplificada se le añaden desoxirribonucleótidos normales (dNTP), dideoxirribonucleótidos marcados con fluorescencia (DdNTP) y ADN polimerasa. La ADN polimerasa utiliza los dNTP para polimerizar nuevas cadenas de ADN basadas en la secuencia complementaria de las cadenas existentes en la muestra a partir del cebador. El ddNTP es un tipo especial de nucleótido que se diferencia de los desoxirribonucleótidos normales porque contiene un átomo de hidrógeno en lugar de un grupo hidroxilo en el carbono número 3. El DdNTP actúa como inhibidor de la elongación de la cadena y, una vez incorporado, termina la adición de más nucleótidos. Los cuatro DdNTP diferentes (A, G, T y C) están marcados con diferentes etiquetas fluorescentes que dan a cada uno un color distinto. Como los DdNTPs se incorporarán aleatoriamente a las hebras de ADN en crecimiento, el resultado serían nuevos fragmentos de ADN de diversas longitudes y tamaños con el mismo punto de origen (todos partiendo del cebador) pero terminando con un DdNTP marcado fluorescentemente.
- Electroforesis en gel: Los fragmentos obtenidos del paso anterior, se empujan a través de un gel con pequeños poros mediante un campo eléctrico. Este proceso separa las cadenas según su longitud. Debido a la naturaleza aleatoria del último paso, habrá hebras de 1 nucleótido, de 2 nucleótidos, de 3 nucleótidos, etc., y todas terminan con un DdNTP marcado con fluorescencia. Por tanto, el patrón de color de las etiquetas fluorescentes nos indicaría la secuencia del ADN.
Fig. 1 - Proceso de secuenciación automatizada del ADN mediante trifosfato de dideoxirribonucleótido marcado con fluorescencia
Determinar el proteoma
Las células de los organismos utilizan el ADN y la secuencia de los genes para producir proteínas.
Un proteoma es la cantidad total de proteínas expresadas por un organismo o una célula en un momento dado y en condiciones específicas.
El campo que estudia las proteínas y el proteoma de distintos organismos se denomina Proteómica. Las proteínas pueden detectarse y secuenciarse con distintas técnicas. Sin embargo, la composición de las proteínas cambia en función de las condiciones específicas de la célula u organismo, por lo que es mucho más variable que el genoma de una especie concreta.
El genoma y el proteoma de los organismos simples
Es relativamente sencillo determinar el genoma y el proteoma de los organismos básicos, como los procariotas, porque:
- El tamaño del ADN procariota es sustancialmente menor que el del ADN eucariota.
- Las proteínas histónicas no se encuentran en el ADN procariota.
- No hay secuencias de ADN no codificantes en los genomas procariotas. En cambio, el ADN eucariota contiene un gran número de secuencias no codificantes que dificultan la determinación del proteoma.
Ventajas de conocer el proteoma de los organismos simples
El proteoma de los procariotas tiene muchas aplicaciones médicas y no médicas.
Aplicaciones médicas
La identificación de las proteínas antigénicas de la superficie de las bacterias nocivas puede aprovecharse para desarrollar vacunas contra las enfermedades causadas por determinados microbios. Una vez conocida la secuencia de estos antígenos, podrían producirse en masa y suministrarse a los seres humanos en forma de vacuna. El sistema inmunitario respondería entonces al antígeno produciendo anticuerpos y células de memoria contra él. Al enfrentarse a un microbio que posea el mismo antígeno, las células de memoria podrían desarrollar una respuesta inmunitaria secundaria para proteger al huésped contra la infección.
Aplicaciones no médicas
El proteoma de los organismos simples proporciona información sobre la bioquímica de los procesos que tienen lugar en su interior. Algunos de estos microorganismos se emplean en la producción de biocombustibles. Además, los organismos que pueden resistir entornos duros y tóxicos pueden eliminar toxinas del medio ambiente.
El genoma y el proteoma de los organismos complejos
El genoma de los organismos complejos, como los humanos y las plantas, es difícil de secuenciar debido al mayor número de genes presentes en el ADN eucariota en comparación con el ADN procariota. Pero este reto se ha superado gracias a los recientes avances en las tecnologías utilizadas para la secuenciación del ADN, que han dado lugar al éxito del HGP en 2003 y a varios proyectos sobre el genoma de las plantas.
La mayor dificultad en el estudio de los organismos complejos es la determinación del proteoma. Esta dificultad se debe a las importantes cantidades de ADN no codificante en el ADN eucariota. En los humanos, por ejemplo, se calcula que el 98,5% del genoma es no codificante y no contribuye al proteoma.
Otra cuestión es determinar qué genoma debe utilizarse para la secuenciación, porque todos los individuos, salvo los gemelos idénticos, tienen genomas separados.
La secuenciación del genoma completo (WGS) proporciona información crítica para identificar trastornos congénitos causados por mutaciones, oncogenes y genes supresores de tumores afectados por mutaciones que conducen al cáncer, rastrear brotes de enfermedades y muchas cosas más.
Proyectos genómicos - Puntos clave
- Los proyectos genómicos pretenden determinar la secuencia de bases completa del contenido total de ADN de un organismo.
- La secuenciación automatizada del ADN puede dividirse en tres pasos:
- PCR: amplificación automatizada de la muestra de ADN.
- Se añade dideoxirribonucleótido trifosfato marcado con fluorescencia a la mezcla de sustrato de la PCR.
- Electroforesis en gel
- El proteoma puede determinarse descodificando la secuencia de bases de ADN de los genes activos de una célula en secuencias de aminoácidos mediante el código genético universal.
- aplicaciones de los proyectos sobre el genoma y el proteoma
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