Genética 101: La PCR Explicada para Principiantes

Hoy, en Genética 101, te queremos contar acerca de una de las herramientas de laboratorio más utilizadas en genética: la PCR.  La reacción en cadena de la polimerasa, o PCR, se utiliza en muchos ámbitos, desde investigación hasta salud. Es una herramienta muy útil porque, en poco tiempo, permite crear miles de copias de una secuencia de ADN para su posterior análisis. Acompáñanos en Nanolab para descubrir un poco más sobre la PCR, el ADN y la genética. 

El ADN y su estructura

Para entender qué hace y cómo funciona la PCR, es necesario saber un poco sobre el ADN. El ADN es una molécula grande compuesta por moléculas más pequeñas. Su forma es helicoidal, gracias a sus dos hebras. Las cuatro moléculas que lo conforman se llaman nucleótidos, y existen cuatro tipos: adenina, timina, citosina y guanina. Todas están conformadas por un azúcar, un grupo fosfato, (que no es más que fósforo con oxígeno), y una base nitrogenada, (que es carbono, oxígeno, hidrógeno y, claro, nitrógeno). Estas tres moléculas juntas conforman los nucleótidos, y, dependiendo de su estructura química, se les da un nombre. 

Entre los nucleótidos existen dos grupos: pirimidinas y purinas. Las pirimidinas son más pequeñas y están compuestas por un solo anillo. A este grupo pertenecen la timina y la citosina. Las purinas son más grandes, ya que su estructura consiste en dos anillos. Las dos purinas son la adenina y la guanina.

El ADN tiene dos hebras complementarias debido a que cada nucleótido tiene una pareja. Si en una hebra está una adenina, en la otra debe ir su pareja complementaria, que en este caso sería la timina. Por lo tanto, siempre hay una purina con una pirimidina. Las adeninas siempre se juntan con las timinas, mientras que las guaninas siempre se juntan con las citosinas. Sabiendo esto, una persona puede deducir qué molécula va en la hebra complementaria. Intenta poner la base complementaria de este ejemplo: 

• Adenina

• Adenina

• Guanina

• Timina 

• Citosina 

La respuesta correcta es Timina, Timina, Citosina, Adenina y Guanina. 

Observa la estructura del ADN. En amarillo está el grupo fosfato, en gris está el azúcar y de colores están las diferentes bases nitrogenadas. En conjunto forman nucleótidos que se unen por puentes de hidrógeno, como puedes ver por las rayas discontinuas. 

Los nucleótidos se unen entre sí gracias a un enlace químico llamado puente de hidrógeno. Se trata de un enlace muy estable que permite la unión de diferentes moléculas. Podrías pensarlo como un pegamento especial para moléculas. En conjunto, los nucleótidos y los puentes de hidrógeno conforman una estructura similar a una escalera portátil si se observa en dos dimensiones. Sin embargo, al observar en tres dimensiones, el ADN adquiere su majestuosa forma helicoidal. 

Genes y nucleótidos

Si el ADN está compuesto de nucleótidos, ¿dónde están los genes?. El ADN es un instructivo gigante para armar a un ser vivo, y cada gen es una instrucción. Los nucleótidos son, en realidad, las letras que el ADN usa para escribir sus instrucciones. Todas las palabras del ADN están compuestas por tres nucleótidos. Tres nucleótidos seguidos se denomina codón. Por lo tanto, las letras del ADN son los nucleótidos por separado, y las palabras son los codones.

Cada gen tiene una secuencia única de codones. Algunas secuencias son extremadamente largas y tardan un tiempo en leerse, como es el caso del gen de la distrofina, un gen del músculo que tarda 16 horas el leerse completamente, ya que está compuesto por más de 2 millones de codones o “palabras”. Otros genes son cortos y tienen tan solo 14 codones. Gracias a que la secuencia de cada gen es única, podemos identificarlos a través de ellas. 

Los genes son secuencias únicas de ADN. Están escritos por nucleótidos. Cada tres nucleótidos conforman un codón. 

La PCR

Ahora que conoces el ADN y su lenguaje, puedes comprender mejor la PCR. Esta maravilla tecnológica permite crear miles de copias de una secuencia de ADN. Es muy útil para la investigación, las ciencias forenses, el diagnóstico de infecciones, incluso el estudio de animales extintos. Imagina que, de una sola muestra de ADN encontrado en el permafrost de la tundra, puedes obtener, gracias a la PCR, millones de copias para investigar. Sin la PCR,  estudiar el ADN sería difícil y se volvería un elemento muy preciado, ya que, si pierdes la copia, lo pierdes todo. 

¿Cómo hace la PCR miles de copias de ADN? Para entenderlo, debes conocer la reproducción celular. Las células siempre están copiando su ADN para reproducirse. Todas tus células necesitan una copia de tu ADN, la cual obtienen de su célula madre. Para copiar el ADN, las células utilizan diferentes proteínas: unas abren el ADN como un zíper, otras copian la información y otras corrigen errores. Sabiendo esto, basta con que la PCR tenga una proteína copiadora de ADN. 

Para hacer una PCR, se necesita una muestra de ADN. Con raspar un poco la mejilla o la nariz, obtienes más de una célula y su ADN. Después, el ADN se coloca en un pequeño contenedor con un cebador o primer (del que hablaremos pronto), una proteína copiadora de ADN y nucleótidos libres. Tras ello, se puede iniciar una PCR. 

La máquina de PCR es increíblemente tecnológica, aunque pueda no parecerlo. Es capaz de crear millones de copias de ADN.

La PCR consta de tres fases. La primera se llama desnaturalización. Durante esta fase, la muestra de ADN se calienta a casi 100 grados Celsius para romper los puentes de hidrógeno. Cuando estos puentes se rompen, las hebras del ADN se separan, arrancando la segunda fase.

La segunda fase se conoce como fase de anillamiento. En este momento se utilizan los cebadores o primers. Un primer es una pequeña secuencia de ADN que los genetistas agregan a la muestra. ¿Recuerdas que las hebras de ADN son complementarias? Gracias a esto, los primers se unen a la parte específica de ADN que queremos copiar. Por ejemplo, si deseas investigar el gen de la distrofina, puedes usar un fragmento de su secuencia como primer. Imagina que el gen de la distrofina comienza con la siguiente secuencia: adenina, guanina, citosina, adenina y timina. El primer que utilizarías sería la secuencia complementaria: timina, citosina, guanina, timina y adenina. Una vez que el primer se ha unido al ADN, se pasa a la siguiente fase.

La última fase es la de elongación. En esta fase, una polimerasa, la proteína que copia el ADN, encuentra el primer unido al gen que se va a copiar. Dado que el primer y una hebra del ADN están unidos, la polimerasa los identifica como ADN normal y procede a copiarlo. 

Inicialmente, la PCR inicia con una copia de ADN. Al calentarlo, el ADN se separa en dos hebras. Se añade el primer y la polimerasa copia el ADN. Dado que hay dos hebras separadas, se pueden unir dos primers. La polimerasa forma dos copias de ADN a partir de los dos primers que identifica. De un ciclo de PCR, se consiguen dos copias de ADN. Sin embargo, esto sigue siendo muy poco ADN para trabajar. Por lo tanto, se pone en marcha otro ciclo, repitiendo las tres fases. Ahora, en lugar de dos copias de ADN, se obtienen cuatro. Con otro ciclo, se obtienen ocho copias. Dado que la PCR funciona de manera exponencial, para el ciclo 30, habrá más de un millón de copias de ADN. Todo esto se logra en cuatro horas, ya que un solo ciclo tarda aproximadamente 5 minutos. 

La PCR funciona por ciclos. Tras 30 ciclos, de un solo ADN, puedes obtener un millón de copias.

PCR y sus limitaciones

La PCR es muy útil para generar copias de ADN, pero no necesariamente se utiliza para identificar mutaciones. Aunque puede emplearse con este propósito, no es lo ideal. Actualmente, se prefieren métodos más novedosos, como la secuenciación, sobre la cual puedes leer aquí. Sin embargo, la PCR sigue siendo una de las herramientas de laboratorio más importantes del mundo debido a su capacidad de crear copias de ADN en poco tiempo, facilitando su estudio. Esperamos que hayas aprendido un poco sobre esta herramienta tan interesante. ¡Te esperamos de nuevo en Genética 101 con Nanolab!

Referencias 

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