miniatura|Estructura de l'ADN bicatenari, producte de la síntesi d'ADN, que mostra les unitats de nucleòtids individuals i els enllaços. La síntesi d'ADN és la creació natural o artificial de molècules d'àcid desoxiribonucleic (ADN). L'ADN és una macromolècula formada per unitats de nucleòtids, que estan unides per enllaços covalents i enllaços d'hidrogen, en una estructura repetitiva. La síntesi d'ADN es produeix quan aquestes unitats de nucleòtids s'uneixen per formar ADN; això pot ocórrer artificialment (in vitro) o naturalment (in vivo). Les unitats de nucleòtids estan formades per una base nitrogenada (citosina, guanina, adenina o timina), una pentosa (desoxiribosa) i un grup fosfat. Cada unitat s'uneix quan es forma un enllaç covalent entre el seu grup fosfat i la pentosa del següent nucleòtid, formant una cadena principal de sucre-fosfat. L'ADN és una estructura complementària de doble cadena, ja que l'aparellament de bases específic (adenina i timina, guanina i citosina) es produeix naturalment quan es formen enllaços d'hidrogen entre les bases dels nucleòtids.

Hi ha diverses definicions diferents per a la síntesi d'ADN: es pot referir a la replicació de l'ADN - biosíntesi d'ADN (amplificació d'ADN in vivo), reacció en cadena de la polimerasa - síntesi enzimàtica d'ADN (amplificació d'ADN in vitro) o síntesi gènica - creació física de seqüències gèniques artificials. Tot i que cada tipus de síntesi és molt diferent, comparteixen algunes característiques. Els nucleòtids que s'han unit per formar polinucleòtids poden actuar com a plantilla d'ADN perquè es produeixi una forma de síntesi d'ADN - la PCR. La replicació de l'ADN també funciona mitjançant una plantilla d'ADN, la doble hèlix d'ADN es desenrotlla durant la replicació, exposant les bases no aparellades perquè els nous nucleòtids s'hi enllaçin per enllaçar-hi hidrogen. La síntesi gènica, però, no requereix una plantilla d'ADN i els gens s'assemblen de novo.

La síntesi d'ADN es produeix en tots els eucariotes i procariotes, així com en alguns virus. La síntesi precisa d'ADN és important per evitar mutacions a l'ADN. En humans, les mutacions podrien conduir a malalties com el càncer, per la qual cosa la síntesi d'ADN, i la maquinària implicada in vivo, s'ha estudiat àmpliament al llarg de les dècades. En el futur, aquests estudis es podrien utilitzar per desenvolupar tecnologies que impliquin la síntesi d'ADN, per ser utilitzades en l'emmagatzematge de dades.

Replicació de l'ADN esquerra|miniatura|Visió general dels passos de la replicació de l'ADN miniatura|la replicació de l'ADN i els diversos enzims implicats A la natura, totes les cèl·lules vives sintetitzen molècules d'ADN mitjançant el procés de replicació de l'ADN. Això normalment passa com a part de la divisió cel·lular. La replicació de l'ADN es produeix de manera que, durant la divisió cel·lular, cada cèl·lula filla conté una còpia precisa del material genètic de la cèl·lula. La síntesi d'ADN in vivo ( replicació de l'ADN) depèn d'un conjunt complex d'enzims que han evolucionat per actuar durant la fase S del cicle cel·lular, de manera concertada. Tant en eucariotes com en procariotes, la replicació de l'ADN es produeix quan topoisomerases, helicases i girases (proteïnes iniciadores de la replicació) específiques desenrotllen l'ADN bicatenari, exposant les bases nitrogenades. Aquests enzims, juntament amb proteïnes accessòries, formen una màquina macromolecular que garanteix una duplicació precisa de les seqüències d'ADN. Es produeix l'aparellament de bases complementàries, formant una nova molècula d'ADN bicatenari. Això es coneix com a replicació semiconservativa, ja que una cadena de la nova molècula d'ADN prové de la cadena mare.

Contínuament, els enzims eucariotes pateixen danys a l'ADN que poden pertorbar la replicació de l'ADN. Aquest dany es presenta en forma de lesions a l'ADN que sorgeixen espontàniament o a causa d'agents que són nocius per a l'ADN. Per tant, la seva maquinària de replicació està altament controlada per evitar el col·lapse quan es produeixen danys. El control del sistema de replicació de l'ADN garanteix que el genoma es repliqui només una vegada per cicle; la sobrereplicació indueix danys a l'ADN. La desregulació de la replicació de l'ADN és un factor clau en la inestabilitat genòmica durant el desenvolupament del càncer.

Això destaca l'especificitat de la maquinària de síntesi d'ADN in vivo. Existeixen diversos mitjans per estimular artificialment la replicació de l'ADN natural o per crear seqüències gèniques artificials. Tanmateix, la síntesi d'ADN in vitro pot ser un procés molt propens a errors.

Síntesi de reparació d'ADN L'ADN danyat està subjecte a reparació mitjançant diversos processos de reparació enzimàtica diferents, on cada procés individual està especialitzat per reparar tipus particulars de danys. L'ADN dels humans està subjecte a danys de múltiples fonts naturals i una reparació insuficient s'associa amb malalties i envelliment prematur.Tiwari V, Wilson DM 3rd. DNA Damage and Associated DNA Repair Defects in Disease and Premature Aging. Am J Hum Genet. 2019 Aug 1;105(2):237-257. doi: 10.1016/j.ajhg.2019.06.005. Review. PMID 31374202 La majoria dels processos de reparació d'ADN formen buits monocatenaris a l'ADN durant una etapa intermèdia de la reparació, i aquests buits s'omplen mitjançant la síntesi de reparació. Els processos de reparació específics que requereixen l'ompliment de buits mitjançant la síntesi d'ADN inclouen la reparació per excisió de nucleòtids, la reparació per excisió de bases, la reparació de desajustos, la reparació recombinacional homòloga, la unió d'extrems no homòloga i la unió d'extrems mediada per microhomologia.

Transcripció inversa La transcripció inversa forma part del cicle de replicació de famílies de virus particulars, inclosos els retrovirus. Implica copiar l'ARN en ADN complementari bicatenari (ADNc), utilitzant enzims de transcriptasa inversa. En els retrovirus, l'ARN viral s'insereix al nucli d'una cèl·lula hoste. Allà, un enzim de transcriptasa inversa viral afegeix nucleòtids d'ADN a la seqüència d'ARN, generant ADNc que s'insereix al genoma de la cèl·lula hoste mitjançant l'enzim integrasa, que codifica proteïnes virals.

Reacció en cadena de la polimerasa miniatura Una reacció en cadena de la polimerasa és una forma de síntesi enzimàtica d'ADN al laboratori, que utilitza cicles d'escalfament i refredament repetits de la reacció per a la fusió de l'ADN i la replicació enzimàtica de l'ADN.

La síntesi d'ADN durant la PCR és molt similar a la de les cèl·lules vives, però té uns reactius i unes condicions molt específics. Durant la PCR, l'ADN s'extreu químicament de les proteïnes xaperones de l'hoste i després s'escalfa, cosa que provoca la dissociació tèrmica de les cadenes d'ADN. Es construeixen dues noves cadenes d'ADNc a partir de la cadena original, que es poden dividir de nou per actuar com a plantilla per a futurs productes de PCR. L'ADN original es multiplica mitjançant moltes rondes de PCR. Es poden fer més de mil milions de còpies de la cadena d'ADN original.

Mutagènesi aleatòria Per a molts experiments, com ara estudis estructurals i evolutius, els científics necessiten produir una gran biblioteca de variants d'una seqüència d'ADN particular. La mutagènesi aleatòria té lloc in vitro, quan la replicació mutagènica amb una ADN polimerasa de baixa fidelitat es combina amb l'amplificació selectiva per PCR per produir moltes còpies d'ADN mutant.

RT-PCR La RT-PCR difereix de la PCR convencional, ja que sintetitza ADNc a partir d'ARN missatger, en lloc d'ADN motlle. La tècnica combina una reacció de transcripció inversa amb una amplificació basada en PCR, ja que una seqüència d'ARN actua com a motlle per a l'enzim, la transcriptasa inversa. La RT-PCR s'utilitza sovint per provar l'expressió gènica en teixits o tipus de cèl·lules particulars en diverses etapes del desenvolupament o per provar trastorns genètics.

Síntesi gènica La síntesi gènica artificial és el procés de sintetitzar un gen in vitro sense necessitat de mostres d'ADN motlle inicials. El 2010, J. Craig Venter i el seu equip van ser els primers a utilitzar ADN completament sintetitzat per crear un microbi autoreplicant, anomenat Mycoplasma laboratorium..

Síntesi d'oligonucleòtids La síntesi d'oligonucleòtids és la síntesi química de seqüències d'àcids nucleics. La majoria de la recerca biològica i la bioenginyeria impliquen ADN sintètic, que pot incloure oligonucleòtids, gens sintètics o fins i tot cromosomes. Avui dia, la major part de l'ADN sintètic es construeix a mida mitjançant el mètode de la fosforamidita de Marvin H. Caruthers. Els oligonucleòtids es sintetitzen a partir de blocs de construcció que repliquen bases naturals. Altres tècniques per sintetitzar ADN s'han posat a disposició comercialment, inclòs l'assemblatge de lligadura d'oligonucleòtids curts. El procés s'ha automatitzat des de finals de la dècada de 1960 i es pot utilitzar per formar seqüències gèniques desitjades, així com per a altres usos en medicina i biologia molecular. Tanmateix, la creació de seqüències químicament no és pràctica més enllà de 200-300 bases i és un procés perillós per al medi ambient. Aquests oligonucleòtids, d'unes 200 bases, es poden connectar mitjançant mètodes d'assemblatge d'ADN, creant molècules d'ADN més grans.

Alguns estudis han explorat la possibilitat de la síntesi enzimàtica utilitzant la desoxinucleotidil transferasa terminal (TdT), una ADN polimerasa que no requereix cap plantilla. Tanmateix, aquest mètode encara no és tan eficaç com la síntesi química i no està disponible comercialment.

Amb els avenços en la síntesi artificial d'ADN, s'està explorant la possibilitat d'emmagatzemar dades d'ADN. Amb la seva densitat d'emmagatzematge ultraalta i la seva estabilitat a llarg termini, l'ADN sintètic és una opció interessant per emmagatzemar grans quantitats de dades. Tot i que la informació es pot recuperar molt ràpidament de l'ADN mitjançant tecnologies de seqüenciació de nova generació, la síntesi de novo d'ADN és un coll d'ampolla important en el procés. Només es pot afegir un nucleòtid per cicle, i cada cicle triga uns segons, de manera que la síntesi general requereix molt de temps i és molt propensa a errors. Tanmateix, si la biotecnologia millora, l'ADN sintètic es podria utilitzar algun dia en l'emmagatzematge de dades.

Síntesi de parells de bases S'ha informat que es poden sintetitzar nous parells de nucleobases, així com AT (adenina - timina) i GC (guanina - citosina). Els nucleòtids sintètics es poden utilitzar per expandir l'alfabet genètic i permetre la modificació específica dels llocs d'ADN. Fins i tot un tercer parell de bases ampliaria el nombre d'aminoàcids que pot codificar l'ADN dels 20 aminoàcids existents a un possible 172. L'ADN de Hachimoji es construeix a partir de vuit lletres de nucleòtids, formant quatre possibles parells de bases. Per tant, duplica la densitat d'informació de l'ADN natural. En estudis, fins i tot s'ha produït ARN a partir d'ADN de Hachimoji. Aquesta tecnologia també es podria utilitzar per permetre l'emmagatzematge de dades a l'ADN.

Referències

Categoria:ADN Categoria:Biologia cel·lular