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Cómo funciona la secuenciación de ADN – ExtremeTech

La secuenciación del ADN es muy, muy simple: hay una molécula, la miras, escribes lo que encuentras. Pensarías que sería fácil, y lo es. El problema no es mirar y verificar la identidad química de cada eslabón de la cadena de una molécula de ADN, sino verificar esas identidades decenas de millones de veces sin cometer errores. Ese Eso es lo difícil, pero la naturaleza del ADN es tal que si solo tiene el 95% de la secuencia correcta, es posible que no tenga nada en absoluto. Entonces, ¿cómo leen los científicos los planos de la biología y con ellos construir una gran proporción de la medicina y la biotecnología modernas?

Todo empezó, más o menos, con un tipo llamado Frederick Sanger. Sanger creó un método ingenioso para leer una molécula de ADN, que implicaba el uso de una versión especializada de bases de ADN llamada ADNc o ácido di-desoxi-ribonucleico. El ‘di’ se refiere al hecho de que las bases de ADNc no tienen ambos de los grupos -OH que se encuentran en las bases de ARN, mientras que el ácido desoxi-ribonucleico (ADN) normal todavía tiene uno. En las bases de ADN normales, este grupo -OH único actúa como punto de unión para el siguiente eslabón de la cadena de una molécula de ADN. Sin una propia, las bases de ADNc no pueden formar las cadenas características del ADN, por lo que terminan cualquier proceso de crecimiento de cadena cuando se incorporan a una cadena de ADN en crecimiento. Sanger se dio cuenta de que podía aprovechar esta tendencia de las bases de ADNc para detener cualquier proceso de elongación de la cadena para ver la secuencia de la propia cadena.

La velocidad de la secuenciación del ADN ha aumentado exponencialmente, pero ¿puede continuar esa tendencia?

La velocidad de secuenciación del ADN ha aumentado exponencialmente, pero ¿puede continuar esa tendencia?

Hagamos un experimento mental rápido: digamos que tengo una molécula de ADN de 4 bases con la secuencia ATGC, aunque no conozco esa secuencia y me gustaría. Sé que se puede hacer que el ADN se replique con bastante facilidad; simplemente caliéntelo hasta el punto en que la doble hélice se «derrita» en dos hebras separadas en presencia de enzimas que encajan en ellas bases de ADN que flotan libremente, y eventualmente terminará con dos hélices dobles separadas donde originalmente tenía una. Pero, ¿qué pasa si las bases flotantes que se encajan en estas hebras simples son una mezcla de bases de ADN regulares y bases de ADNc “terminales”?

Bueno, en ese caso obtendríamos una mezcla de productos, dependiendo de en qué parte de las cadenas de crecimiento terminaran insertándose nuestras bases de ADNc terminales marcadas con fluorescencia. Para nuestra molécula de ATGC, algunas de las hebras replicadas serían de longitud completa y no estarían etiquetadas: no se insertó ninguna base de ADNc. Pero también terminaríamos con algunas hebras de una base que terminan en la base C del ADNc, solo un solo par de bases AC. Más útilmente, también obtendríamos una mezcla de hebras de dos bases que terminan en una G etiquetada, hebras de tres bases que terminan en una T etiquetada y hebras de cuatro bases que terminan en una A. Esto nos da una lectura de secuencia de CGTA , lo que significa que la secuencia complementaria original era ATGC.

Sin embargo, incluso la automatización de este proceso siguió siendo demasiado lenta para permitir el tipo de metanálisis a escala poblacional que la medicina y la genómica modernas requerían. Ahí es donde entró la llamada “secuenciación masivamente paralela”, a veces conocida coloquialmente como secuenciación de escopeta. Básicamente, esto se refiere a la idea de que si divide una secuencia larga de ADN en fragmentos más pequeños, puede leerlos todos simultáneamente. Tienes que leer muchas, muchas copias de tu muestra general, ya que tienes que tomar esos datos fragmentados y ejecutar un algoritmo similar a un rompecabezas para descubrir cómo se combinaron en primer lugar.

Secuenciación Selexa, simplificada.

Secuenciación Selexa, simplificada.

El más popular de estos métodos de escopeta fue probablemente Solexa, que vio el ADN roto y adherido a una placa de vidrio. El proceso utiliza bases terminales reversibles, bases que detendrán el proceso de crecimiento de la cadena. por un momento, hasta que los científicos decidan desbloquearlos y permitir que se agregue el siguiente enlace. El ciclo estricto de agregar-leer-desbloquear permite a los científicos tomar una instantánea de muchos millones de fragmentos, leer la base al final de cada uno antes de permitir la adición de otra base terminal temporal y tomar una nueva instantánea.

La secuenciación masivamente paralela cambió el juego para los investigadores de genómica, pero es el paso después de estas técnicas lo que podría revolucionar la salud pública al hacer que la enorme velocidad de secuenciación sea mucho más asequible y práctica. Hay varias ofertas en competencia para hacer esto, pero todas intentan eliminar por completo el proceso de replicación del ADN, la llamada lectura «directa» de una molécula de ADN sin la necesidad de reacciones complicadas, exigentes y lentas del ADN con las enzimas.

Secuenciador de ADN de memoria USB MinION

Los secuenciadores de ADN de próxima generación son más que rápidos: son prácticos.

La más exitosa de estas primeras tecnologías es la secuenciación de nanoporos. Este método en realidad alimenta una hebra de ADN a través de un poro en un material conductor. A medida que las bases se mueven a través de este nanoporo, sus tamaños ligeramente diferentes estiran el poro en una cantidad característica, y ese cambio en la tensión mecánica en el poro se traduce en un cambio en la conductividad eléctrica. Al leer los cambios de conductividad a medida que una hebra de ADN se alimenta a través de un nanoporo, estos secuenciadores pueden acabar con las reacciones de replicación de antaño.

Eso será importante, ya que se inventan más y más tecnologías de ADN que podrían ayudar a los trabajadores de ayuda en entornos inhóspitos, o solo a millones de médicos de familia en todo el mundo que no pueden permitirse realizar un experimento de Solexa todos los días. La mejora de la tecnología de secuenciación abrirá algunas nuevas puertas de investigación, pero para los laboratorios bien financiados, los límites de la secuenciación ya son astronómicamente altos. En este punto, la importancia de la tecnología de secuenciación más nueva y mejor está en la capacidad de democratizar probablemente la rama más emergente de las ciencias físicas, en este momento. Los avances en la secuenciación pueden permitir nuevos conocimientos científicos, pero es más probable que permitan la aplicación en el mundo real de los conocimientos que hemos tenido durante un tiempo.

¿Todos esos artículos que has leído sobre el potencial de la medicina personalizada? Este tipo de avances en la secuenciación deberán continuar para hacerlos realidad. Pero a diferencia de los grafenos y los superconductores del mundo, la tecnología de secuenciación es casi innegable será llegar allí, y no lentamente. Entonces, la pregunta ahora no es: «¿Cómo secuenciamos más ADN?» sino más bien, «¿Qué podemos hacer con esas secuencias, una vez que las hayamos puesto en tantas manos como sea posible?»

Consulte nuestra serie ExtremeTech Explains para obtener una cobertura más detallada de los temas tecnológicos más actuales.