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La producción o síntesis química de genes es un pilar fundamental de la biología molecular moderna, ya que contribuye a la producción de genes nativos completos y genes nuevos (aquellos que no se producen de forma natural). Además, este proceso es la base para la producción de genomas completos (el conjunto completo de instrucciones genéticas presentes en una célula viva).
Los avances en de síntesis génica ponen a disposición de los interesados diversos métodos de producción génica. Sin embargo, cada método tiene su aplicación específica, sintetizando genes específicos, y una técnica no puede sustituir a otra. Por lo tanto, a continuación se presenta una descripción general de las técnicas comunes de síntesis génica y sus características para guiar la elección del método en diferentes proyectos.
La producción sintética de genes es un proceso gradual que facilita la producción de un gen y otros productos génicos sin depender de una plantilla de ADN. Por lo tanto, facilita la producción de diversos genes, incluyendo genes personalizados con secuencias o pares de bases modificados.
Como se mencionó anteriormente, los avances en biotecnología implican la existencia de múltiples técnicas de producción de genes sintéticos. Sin embargo, todas estas técnicas se basan en el proceso de producción de genes nativos de un organismo vivo como base para la producción química de genes, con ligeras modificaciones ocasionales.
Por lo tanto, comprender el proceso básico de síntesis génica ayuda a apreciar los matices de las técnicas de síntesis génica. A continuación, se presenta un resumen de los pasos involucrados en la síntesis génica.
Los oligonucleótidos son cadenas cortas de ácido nucleico (ADN o ARN) y funcionan como elemento fundamental para la producción de cualquier producto génico, incluyendo la síntesis de péptidos y proteínas. Los diferentes métodos de síntesis génica emplean distintos reactivos y técnicas para iniciar la síntesis de oligonucleótidos. Sin embargo, el proceso se mueve en una dirección de 3' a 5' en todos los métodos.
El anexado implica calentar moléculas como oligonucleótidos antes de enfriarlas gradualmente para facilitar la hibridación o la formación de un enlace químico entre dos moléculas. Diferentes métodos de síntesis génica emplean técnicas de aniquilación únicas para formar una secuencia génica completa.
La clonación implica replicar copias de la secuencia genética recién formada utilizando un vector de clonación.
La síntesis génica no es un proceso perfecto. Por lo tanto, el cribado de clones es necesario para identificar el gen diana dentro de ellos. Entre las herramientas de cribado más populares se incluyen los kits ELISA y la cromatografía.
Además de identificar el gen diana, es necesario un análisis exhaustivo de los pares de bases en la secuencia. Asimismo, las medidas correctivas para corregir errores de replicación, como la deleción y la sustitución de bases, garantizan la colocación adecuada del plásmido.
A continuación se muestra una descripción general de los métodos y aplicaciones de síntesis genética más populares.
La síntesis en fase sólida es un método clásico de síntesis génica y consiste en el uso de nucleósidos modificados químicamente, incluyendo ácidos nucleicos bloqueados (LNA), para sintetizar oligonucleótidos diana. Una columna de reactivos con un ácido desbloqueante contiene los nucleósidos que gradualmente forman una cadena de oligonucleótidos, con la desprotección de los nucleósidos subsiguientes.
El proceso de ensamblaje enzimático implica el desbloqueo (desprotección) de los nucleósidos, seguido del acoplamiento, la protección y la oxidación para formar una secuencia génica a partir de los oligonucleótidos recién formados. La síntesis en fase sólida es un proceso totalmente automatizado, y los investigadores recolectan los genes al final. Entre sus ventajas se encuentra una precisión de secuenciación génica notablemente alta.
Sin embargo, el proceso de desprotección aumenta la probabilidad de reacciones secundarias, y los riesgos aumentan con la longitud. Por lo tanto, la síntesis en fase sólida solo produce genes de 15 a 25 bases (máximo de 200 residuos de nucleótidos). Estos genes tienen aplicaciones en biología molecular y medicina, como antisentido en la síntesis de proteínas o sondas para detectar material genético complementario.
La síntesis de ADN basada en chips es un proceso de síntesis génica de última generación. A diferencia de la síntesis en fase sólida, que es un proceso químico, la síntesis basada en chips es un proceso electroquímico.
El método utiliza chips semiconductores de microarrays con control de temperatura para generar múltiples oligonucleótidos en una sola configuración. La síntesis basada en chips complementa el proceso químico tradicional del ciclo de la fosforamidita mediante la creación de zonas con control de temperatura, denominadas pocillos/islas virtuales, lo que facilita la selectividad.
Además, facilita la detección y corrección de errores durante el proceso de ensamblaje de oligonucleótidos y no requiere una etapa independiente de análisis de secuencias ni de corrección de errores. Las ventajas de la síntesis basada en chip incluyen un alto rendimiento y la capacidad de generar fragmentos génicos con pares de bases más largos. Esta técnica produce secuencias génicas para aplicaciones que requieren un gran volumen de ADN diana y baja precisión.
La síntesis génica por PCR (reacción en cadena de la polimerasa) es un proceso clásico que produce millones de fragmentos génicos en dos etapas mediante cebadores. La primera etapa consiste en ensamblar los nucleótidos superpuestos mediante una reacción en cadena de autocebado para generar un oligonucleótido de 60 pb que cubre toda la secuencia.
En segundo lugar, una reacción de PCR posterior genera fragmentos de ADN de 400 a 500 pb de longitud. Un cebador adicional amplifica el fragmento de ADN diana. Este método es ideal para aplicaciones que requieren fragmentos génicos largos y de alta precisión.
La síntesis génica derivada de matrices es posiblemente el proceso de producción génica más asequible debido a su bajo consumo de reactivos. Además, el método permite una capacidad multiplex, produciendo de miles a decenas de miles de secuencias de oligonucleótidos.
Sin embargo, si bien la diversidad de secuencias de oligonucleótidos es una ventaja, ensamblarlos en fragmentos génicos viables es un desafío debido a la homología de secuencia. Por lo tanto, el método es ideal para procesos de síntesis génica a medida que requieren cantidades mucho menores de fragmentos génicos.
La síntesis génica en fase líquida también es una técnica clásica, similar en muchos aspectos a la síntesis en fase sólida. Sin embargo, a diferencia de esta última, la generación de oligonucleótidos se produce en una solución en lugar de en un soporte de columna. Además, la síntesis génica en fase líquida presenta un menor riesgo de reacciones de cadena lateral y puede generar fragmentos largos de ADN con errores mínimos, aunque a un ritmo más lento.
Las técnicas de síntesis génica evolucionan constantemente para satisfacer la creciente demanda de genes de alta calidad, rentabilidad y escalabilidad. Los métodos mencionados anteriormente son los principales métodos de producción génica, y puede consultar con su proveedor de servicios sobre el método ideal para su proyecto y presupuesto.
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