(Ciencias de Joseleg) (Biología) (Teoría
de la Biología)
(Genética moderna) (Introducción) (Naturaleza
química del gen) (Conflicto
por la estructura del ADN) (Estructura
del ADN) (La
replicación del ADN) (Síntesis
de proteínas) (Denaturación
y renaturación) (Estructura
del genoma) (Tipos
de mutaciones) (Elementos
móviles del genoma) (Identificación
humana) (Referencias
bibliográficas)
Con esto la afirmación es simple, los genes son sustancias químicas.
Como materiales, los químicos ya habían logrado el
aislamiento de ambos ácidos nucleicos “mezclados ambos” de la célula y el
núcleo. La naturaleza polimérica era fácil de apreciar a un nivel cualitativo,
de hecho, el ADN tiende a formar fibras transparentes-blanquecinas cuando
es aislado. Friedrich Miescher “1844–1895” fue el primero en aislar la mezcla
de ácidos nucleicos en 1869 dándole el nombre de nucleina. Tiempo después el
aisló una muestra pura del material conocido actualmente como ADN en los
espermatozoides de salmón, y en 1889 Richard Altmann “1852-1900” le dio el
nombre de ácido nucleico por su capacidad para ceder protones, esta capacidad
se debe a la presencia de grupos fosfato, los cuales en libertan forma en ácido
fosfórico. También quedó claro que este ácido nucleico solo se encontraba en
los cromosomas.
Figura
1. ADN aislado.
En 1919 Phoebus Levene en el instituto Rockefeller
identificó los componentes químicos de dicho material, se trataba de un
polímero complejo compuesto por cuatro bases nitrogenadas, dos de ellas
clasificadas como purinas y las otras dos como pirimidinas. Adicionalmente se
encontró un azúcar de cinco carbonos y grupos fosfato, los cuales formaban las
uniones del polímero.
Figura 2. De
izquierda a derecha: Friedrich Miescher, Phoebus Levene, y Nicolai Koltsov.
En 1919 Phoebus Levene en el instituto Rockefeller
identificó los componentes químicos de dicho material, se trataba de un
polímero complejo compuesto por cuatro bases nitrogenadas, dos de ellas
clasificadas como purinas y las otras dos como pirimidinas. Adicionalmente se
encontró un azúcar de cinco carbonos y grupos fosfato, los cuales formaban las
uniones del polímero.
Levene llamó a cada una
de estas unidades “nucleótido” y sugirió qué la molécula del ADN consistía de
una cadena de nucleótidos unidos a través de los grupos fosfato, los cuales
formarían el esqueleto sobre el cual se anclarían las bases nitrogenadas. Sin
embargo, Levene pensaba que las cadenas no podrían ser muy largas, y que las
bases se presentarían repetidas de formas fijas. Otros autores que demostraron
la naturaleza polimérica del ADN anticipada por Levene fueron Torbjorn
Caspersson y Einar Hammersten.
En 1927 Nicolai Koltsov "1872-1940"
propuso que los rasgos heredables serían heredades de una generación a la
siguiente por medio de una molécula de almacenamiento de la información
genética gigantesca, la cual debía estar formada por dos unidades idénticas
como si fueran imágenes en un espejo. Estas dos moléculas podrían entonces
replicar su otra cara en la fase de síntesis del material genético durante el
ciclo celular, de forma tal que la mitad del material genético se conservara y
la otra mitad fuera el nuevo. En otras palabras, la replicación
semi-conservativa fue propuesta como una de las características que debía
poseer esta hipotética molécula de almacenamiento de la información.
Posteriormente Max Delbrück "1906-1981", Nikolai V.
Timofeeff-Ressovsky "1900-1981", y Karl G. Zimmer
"1911-1988" publicaron en 1935 sugirieron que los cromosomas no eran
más que, enormes moléculas que podían experimentar reacciones químicas mediante
el bombardeo con radiación de ultra-alta energía como los rayos X, y por lo
tanto, su estructura podía cambiar. Como una consecuencia de lo anterior,
proponían que los rasgos heredables podían ser alterados por medio del
bombardeo con rayos X, o lo que es lo mismo, los rayos X servían para inducir
mutaciones. En 1937 William Astbury "1898-1961" realizó un avance
fundamental, perfeccionando el método que permitiría acumular los datos
experimentales necesarios para la elucidación de la estructura del ADN, y no es
otra cosa que la difracción con rayos X de la molécula del ADN, lo cual al ser
revelados ante una placa generaba una serie de patrones. El problema es que no
fue capaz de deducir un modelo de estructura del ADN que explicara los patrones
de la placa de revelado.
El experimento Avery–MacLeod–McCarty es uno de los experimentos más famosos en la biología molecular, y se reporta como la primera demostración de que el ADN tiene algo que ver con los rasgos heredables al interior de una célula. Fue reportado en 1944 por Oswald Avery "1877-1955", Colin MacLeod "1909-1972", y Maclyn McCarty "1911-2005", empleando el fenómeno de la transformación bacteriana. Durante la época ya se conocían los ácidos nucleicos y las proteínas, así como su estructura bioquímica. La mayoría de la comunidad científica daba más crédito a la hipótesis de que las proteínas eran el material genético debido a que eran más complejas que los ácidos nucleicos. Este experimento fue la culminación de varias investigaciones realizadas desde los años de 1930 en el Instituto de Investigación Médica Rockefeller con el fin de purificar cierto factor que inducia a la transformación de cepas de bacterias inocuas, en variantes mortales capaces de causar neumonía fatal.
Figura 3. Fila
superior: William Astbury y Oswald Avery; fila inferior: Colin MacLeod y Maclyn
McCarty.
Como se ha mencionado anteriormente, en la época
desde inicio del siglo XX y durante casi los siguientes 50 años la mayor parte
de la comunidad científica pensaba que las proteínas y no los ácidos nucleicos,
eran las responsables del almacenamiento de la información genética, es decir,
las proteínas eran el fundamento químico del gen de los mendelianos y postmendelianos.
Esto se sostenía bajo el argumento de que los ácidos nucleicos eran
demasiado simples como para almacenar la información genética necesaria para la
construcción de las proteínas, por lo que no es descabellado asumir que la
función de organelos, como el ribosoma, aún era desconocidas.
Un experimento previo realizado por Griffith en
1928 planteaba el asunto. El mató una cepa de bacterias virulentas de Streptococcus
pneumoniae de la cepa III-S que era capaz de causar
neumonía fatal en los ratones. Luego, mezclo los remanentes de estas bacterias
cuyas células ya se habían destruido en un ambiente con una cepa no virulenta
de S. pneumoniae del
código II-R. El resultado fue que las cepeas no virulentas se transformaron en
la cepa virulenta por medio de algún mecanismo en los restos muertos de la
primera cepa virulenta.
Figura
4. Experimento de Griffith. Resumen del experimento de Griffith. de izquierda
a derecha (1) la cepa no virulenta no es mortal, (2) la cepa virulenta es
mortal, (3) la cepa virulenta tratada con calor no es mortal, (4) la cepa no
virulenta con los restos muertos de la cepa virulenta es mortal, y al extraerla
posee un serotipo y propiedades de cepa virulenta.
¿Qué es lo que causa
la transformación? El experimento Avery–MacLeod–McCarty en su mismo título
plantea la hipótesis de trabajo: Estudios sobre la naturaleza química de la
sustancia que induce a la transformación de tipos de Pneumococos: Inducción
a la transformación por medio de una fracción de ácido desoxirribonucleico
extraído de Psenumococo tipo III; publicado en 1944 se convertiría en la
primera sugerencia experimental de que el ADN y no las proteínas, eran el
verdadero agente que se encargaba del almacenamiento de la información
genética.
Figura
5. Dos cepas de Streptococcus
pneumonie. A la izquierda las colonias virulentas lisas con
respecto al agar y a la derecha las cepas no virulentas rodeadas por un halo de
alfa-hemólisis, agar Columbia con 5% de sangre de cordero defibrinada y al 5%
de dióxido de carbono
El experimento Avery–MacLeod–McCarty requirió una
serie de desarrollos metodológicos, los cuales incluyen (1) la
serotipificación; (2) la demostración de que las bacterias se pueden
transformar; (3) los métodos para transformar bacterias en tubos de ensayo; y
el más importante (5) los métodos para poder aislar el agente transformador. La
serotipificación es un método en el cual se emplean marcados biológicos, en
este caso anticuerpos del sistema inmune, para identificar con gran precisión y
exactitud diferentes tipos de bacteria de una misma morfoespecie. Estos tipos
difieren en muchas de sus propiedades bioquímicas y son denominados cepas, a
las cuales se les asigna un código. El científico que lideró estos primeros
esfuerzos de tipificación de las cepas por códigos y propiedades fue Fred
Neufeld "1869-1945". Originalmente,
la tipificación bacteriana cayó bajo un esquema filosófico muy antiguo, el
esencialismo o pensamiento tipológico, es decir, ausencia de cambios. Sin
embargo, siendo las bacterias los seres vivos más adaptables, no pasó mucho
tiempo hasta que otros autores se percataran de que los serotipos bacterianos
eran capaces de cambios rápidos y abruptos en sus propiedades biológicas y
bioquímicas.
Figura
6. La neumonía. La neumonía es una inflamación de los alvéolos y
capilares pulmonares, que impide una adecuada ventilación del sistema
circulatorio causada por la infección con carios patógenos. Gracias al
desarrollo de los antibióticos se pensó que esta y otras enfermedades
bacterianas habían sido erradicadas.
El
primer bacteriólogo que se dio cuenta de la capacidad de los serotipos para
transformarse fue Frederick Griffith "1879-1941", perteneciente a la
siguiente generación de científicos después del establecimiento de la
metodología de clasificación serológica. El experimento de Griffith “1928” fue
realizado no en un cultivo en un tubo de ensayo o en una caja de Petri; por el
contrario, se realizó al interior de un modelo biológico, el ratón de
laboratorio.
Griffith
había pasado varios años estudiando y clasificando diferentes cepas de
neumococos, causantes de una enfermedad fatal para la década de los 20s, la
neumonía. El primer resultado de sus estudios fue que no todos los neumococos
eran iguales, algunos no eran fatales o no causaban ninguna patología, mientras
que otras eran fatales. Un resultado inesperado de sus investigaciones en la
época fue el hecho de que no todas las cepas se encuentran en un mismo
individuo al mismo tiempo, las cepas tendían a excluirse y por lo tanto a
generar cuadros de síntomas diferentes.
Otro descubrimiento de le dio la clave de todo, si
bien las cepas se excluían, a lo largo de un solo caso clínico, se registraba
un cambio en el tipo de cepa aislada, lo cual lo indujo a pensar que (1) una
cepa reemplazaba a la otra excluyéndola competitivamente u (2) una cepa se
transformaba en otra mediante algún tipo de mecanismo desconocido. Para refutar
la hipótesis (1) lo que hizo fue extraer una cepa virulenta de un individuo y
matar las bacterias, de esta forma se aseguraba de que no existiera posibilidad
para una exclusión competitiva. Luego inyecto los restos muertos de la cepa
mortal en un ratón que ya estaba infectado con una cepa no virulenta. El
resultado fue la muerte del ratón. Con esto quedaba demostrado que los restos
de las bacterias muertas poseían algún factor químico capaz de transformar una
cepa no virulenta en una virulenta, lo cual a su vez demostraba que las cepas
podían cambiar rápidamente. En otras palabras, las cepas no se excluyen
mutuamente, simplemente cuando ocurre una segunda infección con una cepa
virulenta, las bacterias mortales transforman a las residentes no virulentas en
su forma mortal “a
la apocalipsis zombi”.
Los descubrimientos de Griffith no aclararon quien
era el agente causante de la transformación, y de hecho cualquier hipótesis era
válida, dado que los restos empleados para transformar a la bacteria no
virulenta fueron todos los componentes de las bacterias virulentas, lípidos,
proteínas, ácidos nucleicos, cualquier cosa. Los resultados de Griffith fueron
rápidamente confirmados por Fred Neufeld "1869-1945" del Instituto
Koch por Martin Henry Dawson "1896-1945" del Instituto Rockefeller.
El grupo de investigación del Instituto Rockefeller continuaron estudiando la
transformación de las bacterias. Junto a Richard H.P. Sia, Dawson desarrolló un
nuevo método para transformar bacterias en tubos de ensayo. Este descubrimiento
abría las puertas para poder controlar con mayor precisión los agentes
transformadores, aunque la pregunta seguía abierta, ¿Quién era el agente que
transformaba a las bacterias?
Después de que Dawson se marchara en 1930, James
Alloway prosiguió en la línea de investigación sobre los serotipos de
neumococcos y su capacidad para transformarse de una cepa a otra. Su empeño de
vio recompensado cuando en 1933 pudo extraer en solución acuosa una sustancia
que prometía ser el agente transformador. Colin MacLeod prosiguió en la misma
línea de investigación, buscando purificar todas las sustancias que se
encontraban en las soluciones acuosas de Alloway entre los años de 1934 y 1937.
Posteriormente al inicio de la década de los 40s su trabajo sería reasumido por
Maclyn McCarty. Como se puede evidenciar, el experimento Avery–MacLeod–McCarty
no salió de la nada, como todo en ciencia se trata de la genealogía de una idea
que es pasada de una generación a otra, de maestro a alumno, de forma tal que
el conocimiento de la generación anterior se convierte en los fundamentos de la
siguiente, con lo que, parafraseando a Newton y Einstein, en las ciencias, los
científicos deben pararse sobre los hombros de los gigantes que les han
precedido.
Personalmente, la primera vez que entré en contacto
con el experimento de Avery–MacLeod–McCarty, el experimento se me describió en
términos de la inyección de los ratones del agente transformador. Esto da la
impresión de que el asunto de la muerte de los ratones por la transformación de
la bacteria en su forma virulenta era algo nuevo. Sin embargo, como hemos visto
anteriormente, el asunto de la transformación de las cepas de neumococcos era
una línea de investigación con una larga tradición al interior de algunas
comunidades de investigación, por lo tanto, cabe preguntarse, ¿Cuál es el aporte
real del experimento Avery–MacLeod–McCarty? El punto fue la purificación,
aislamiento y caracterización del agente transformador en solución acuosa, y la
demostración que, mediante la administración de este agente aislado y puro en
una cepa no virulenta, esta se convertía en su forma virulenta. Por tal razón,
el procedimiento experimental en su mayor parte recuerda más a la química, en
el sentido de que se trata de purificar una molécula e identificarla por medio
de la comparación con una muestra patrón.
Figura 7. Procedimiento del
experimento Avery–MacLeod–McCart . Procedimiento
experimental, este se basa en extraer los componentes celulares y luego
eliminarlos uno a uno hasta que el ratón vivo.
El procedimiento de purificación que Avery realizó
consistió en matar las bacterias mediante intenso calor y extraer los
componentes mediante una solución salina. Esto genera una mezcla de componentes
solubles como carbohidratos, proteínas hidrosolubles y ácidos nucleicos, pero
excluye a las proteínas liposolubles y a los lípidos. Posteriormente, las
proteínas hidrosolubles fueron precipitadas con cloroformo, y los carbohidratos
complejos de las capsulas se hidrolizaron por medio de una enzima. Posteriormente,
para evitar reacciones cruzadas con alguna proteína de la capsula se emplearon
enzimas específicas para completar su destrucción. Finalmente, la sustancia
activa fue separada de la solución acuosa por medio de fraccionamiento con
alcohol que la hace insoluble, lo cual genera fibras blancas-transparentes que
pueden ser removidas con facilidad por medios físicos “igual que hilar un
hilo”. La
identificación de la sustancia reveló consistencia con las muestras patrón del
ácido desoxiribonucleico. Esto mostraba que era ADN y no otras sustancias como
ARN o proteínas las que representaban la composición mayoritaria de la muestra
aislada. A pesar de esto, la muestra purificada fue tratada del siguiente modo.
Una muestra no fue tratada con ninguna enzima, siendo así la muestra control.
Otra muestra fue tratada con proteasas como la tripsina y la quimotripsina, con
el objeto de descomponer cualquier resto de proteínas. Otra muestra fue tratada
con ribonucleasa, una enzima que corta al ácido ribonucleico de forma específica.
La última muestra fue tratada con desoxiribonucleasa, una enzima que corta de
forma específica al ácido desoxiribonucleico. Estas muestras fueron mezcladas
con un cultivo de bacterias de pnemucocos no virulentos, y posteriormente se
determinaron las propiedades bioquímicas de los cultivos en agares
especializados. La única de las muestras que no mostró haber transformado a las
bacterias fue la tratada con la desoxiribonucleasa, mientras que las demás
mantuvieron su actividad.
Los hallazgos experimentales del experimento de
Avery–MacLeod–McCart fueron rápidamente confirmados y amplificados por otras
características hereditarias además de la virulencia. Aun así, la mayor parte
de la comunidad científica aún mantenía sus dudas sobre la metodología
empleada, específicamente en lo que respecta a la purificación de la muestra de
todas las proteínas. Esto se debió en gran parte a que la propuesta para la
estructura del ADN vigente en la época se basaba en la hipótesis de los
tetranucleótidos, es decir, repeticiones de a cuatro bases nitrogenadas, lo que
convertía al ADN en una molécula incapaz de almacenar la información biológica.
Una línea de evidencia que reforzaba la hipótesis de que las proteínas eran el
material hereditario eran los virus, quienes habían sido determinados
químicamente como compuestos por proteínas por Wendell Stanley “1904-1971”.
Algunos biólogos dudaban que la genética desarrollada en base a las leyes de
Mendel y sus extensiones pudiera ser aplicada a las bacterias debido a que
estas carecían de los cromosomas o de una reproducción sexual. A pesar de que
este experimento representa una de las primeras aproximaciones formales a la
función del ADN su impacto fue muy limitado, y su celebración como parte de la
historia de la bacteriología solo se dio 9 años más tarde cuando la función del
ADN como material genético fuese confirmada por el experimento de
Hershey-Chase.
Para comprender como funciona una molécula muy compleja, sea esta una proteína, un lípido, un carbohidrato o un ácido nucleico, es necesario en primera instancia conocer sus partes constitutivas. Este modo de estudiar la biología es denominado reduccionismo y es atacada por lo que queda de filósofos de la ciencia que se autodenominan vitalistas. Reducir la vida a un montón de moléculas resulta incoherente con las capacidades únicas de los seres vivos, cuando se las compara con estructuras inorgánicas. Esta tendencia llevó a que en tiempos de Arhenius y Wohler se dudara de la posibilidad de sintetizar moléculas de importancia orgánica a partir de precursores inorgánicos. Sin embargo, el método reduccionista no es malo en sí mismo desde que no se asuma que el todo tiene las mismas propiedades que sus partes sumadas. Estudiar las partes es el punto de partida, y de cierta forma permite adivinar como algunas de estas partes se relacionan para generar propiedades emergentes de las estructuras como un todo. Esto es lo que diferencia la postura organicista, que el humilde escritor de este texto asume como postura epistemológica en biología. Una postura que busca congeniar el reduccionismo y el holismo en un solo marco explicativo a través del concepto de propiedad emergente. Las propiedades estructurales del ADN son emergentes con respecto a sus componentes, es decir, cada componente o sección del ADN carece de las propiedades de la molécula completa, pero, aun así, su estudio es relevante para comprender la naturaleza de dichas propiedades emergentes totales.
Figura 8. Componentes de un nucleótido. Izquierda: modelo molecular de la desoxiribosa, se denomina así porque en el carbono 2 no se encuentra un grupo hidroxilo, sino un simple protón, en base a esta falta de un oxígeno se la llama ribosa desoxígenada o desoxirribosa; Centro: La ribosa y un fosfato, por lo general los fosfatos se unen en el carbono 3, pero también pueden unirse por el carbono 5; y Derecha: el núcleótido adenocina o AMP.
Figura
9. Bases nitrogenadas. Las purinas son de doble anillo, mientras que las
pirimidinas son de anillo simple.
Las bases nitrogenadas que Levene y sus sucesores
encontraban respondían a dos grupos diferentes, llamados purinas y pirimidinas.
La base nitrogenada se unía al azúcar por el extremo 3´. Las pirimidinas
contienen un único anillo de carbonos, mientras que las purinas contienen dos
anillos de carbonos. El ADN contiene dos tipos diferentes de pirimidinas, la
timina y la citosina, ambas simbolizadas por su primera letra (T) y (C)
respectivamente. Las purinas también son de dos tipos, la guanina (G) y la
adenina (A), los nucleótidos se unen de forma covalente mediante los residuos
de fosfato que se unen entre los carbonos 5´y 3´formando un polímero linear o
hebra, a este enlace se lo denomina fosfodiester. No hay que confundir las
bases nitrogenadas con los nucleótidos, un nucleótido es una estructura
compuesta por azúcar+base nitrogenada, y como tal poseen nombres moleculares
que los distinguen.
Las bases nitrogenadas se unen a cada azúcar, cuando el azúcar se polimeriza a través del enlace fosfodiester, las bases nitrogenadas se proyectan como los escalones de una escalera, mientras que el esqueleto de la escalera permanece de forma externa al cilindro, todos los átomos de oxígeno le confieren a la molécula una alta solubilidad por poder entablar puentes de hidrógeno. Las posiciones para la polimerización del azúcar son en el carbón 3´y 5´, detalle que se convertirá en fundamental cuando se propongan los modelos de replicación del ADN. Debido a que cada hebra es complementaria y antiparalela, significa que una termina en el extreme 3´y termina en el 5, mientras que su complemente actúa de forma inversa iniciando en el extremo 5´y terminando en el 3´. Los datos de la difracción con rayos X indicaba que la distancia entre los nucleótidos era de 3.4 Armstrong o 0.34 nanómetros, y sugerían la presencia de una estructura repetitiva cada 3.4 nanómetros.
Figura 10. Erwin Chargaff (11 de agosto de 1905 – 20 de
junio de 2002)
Fue un químico austriaco judío que emigró a los Estados Unidos durante la
anexión nazi de su país. Después de cuidadosos experimentos, Chargaff descubrió
dos reglas que ayudaron al descubrimiento de la doble hélice del ADN.
Levene pensaba que las bases nitrogenadas se
organizaban como un tetrámero repetitivo “en tándem” de la forma 3´-ATGC ATGC
ATGC ATGC ATGC ATGC-5´. Esta falta de variabilidad ubiera hecho imposible que
el ADN fuera la naturaleza química del gen. En 1950, dos años antes del
experimento Hershey-Chase otra línea de evidencia en favor del ADN fue abierta
por Erwin Chargaff “1905-2002” de la universidad de Columbia reportó los
resultados de un importante experimento, el cual le daría el golpe final a la
teoría de Levene de los tetranucleótidos. Chargaff determine la cantidad
relativa de bases nitrogenadas en diferentes muestras de ADN. El análisis de
composición fue realizado mediante la acción de una enzima que corta la unión
entre las bases nitrogenadas y los azucares, posteriormente, la muestra fue
separada mediante una cromatografía en papel generándose cuatro puntos de
migración. Las cantidades de sustancia podían interpretarse de forma relativa
de acuerdo al tamaño del punto de migración “básicamente el tamaño de la
mancha”.
Si la hipótesis de los tetranucleótidos de Levene
fuera correcta se esperaría cuatro manchas, cada una con una forma semejante
debido a su cantidad semejante “cada una debía representar un 25% de la muestra
total”. Los resultados de Chargaff fueron muy diferentes de lo que se esperaba
en base a la hipótesis de Levene, es más, cada muestra de ADN mostraba su
propia composición única, la cual difería radicalmente de los radios 1-1-1-1.
Sin embargo, había que aclarar el tipo de muestra. Cuando la muestra provenía
de diferentes especies, las proporciones eran variables, pero cuando la muestra
provenía de la misma especie, las proporciones eran semejantes.
Tabla 1. Composición porcentual (%) del ADN de varias especies.
A pesar del
aspecto variable de la composición del ADN en términos de sus bases
nitrogenadas, emergió un fenómeno que era constante. El número de adeninas
siempre era igual al número de timinas; mientras que el número de guaninas
siempre era igual al número de citosinas. Los descubrimientos de Chargaff
arrojaron nuevas luces sobre la estructura de la molécula del ADN, ya no sería
vista como una molécula invariante, aunque al igual que con otros
descubrimientos relacionados al ADN antes de 1952 permaneció oscuro en la
literatura científica hasta el gran bum del ADN entre los años de 1952-1953.
Todo lo anterior implica que cada una de las líneas de evidencia sobre la
importancia del ADN por si solas no aportaban un mayor peso a la teoría
general, pero una vez que tuvo todo el panorama, estas investigaciones que
habían permanecidos oscuras por muchos años, de un momento a otro fueron
celebradas por la comunidad científica. En otras palabras, una vez que un
programa de investigación se demuestra victorioso, todos sus descubrimientos de
un momento a otro se hacen importantes, aun cuando en sus verdaderos contextos
no se hubieran tomado realmente en cuenta.
En realidad, se trata de una serie de experimentos realizados en 1950 por Alfred Hershey “1908-1997” y Martha Chase “1927-2003” que ayudaron a confirmar que el ADN es el material que almacena la información hereditaria que se transfiere de una generación a otra. Como hemos visto en series anteriores, los químicos y biólogos habían extraído, purificado y determinado químicamente el ADN ya desde finales del siglo 1869, pero debido a la complejidad estructural de las proteínas, la mayor parte de la comunidad científica aun asumía en 1952 que la molécula que almacenaba la herencia era otra proteína.
Figura
11. Martha Cowles Chase (1927 – 8 de agosto de
2003). También conocida como
Martha C. Epstein, fue una bióloga estadounidense especializada en genética,
famosa mundialmente por haber formado parte del grupo que en 1952 demostró que
el ADN es el material genético para la vida, y no las proteínas.
Aunque también se conocía que el ADN hacía parte de los cromosomas, se lo consideraba más como un componente estructural y estabilizador que otra cosa. Aunque los autores fueron cautelosos en sus conclusiones, otros experimentos posteriores confirmaron sus resultados, y por consiguiente la función del ADN como la molécula encargada del almacenamiento de la información genética fue elevada a los mayores niveles de certidumbre en las ciencias de la naturaleza. Esto sucedió tan solo un año antes de que se propusiera el modelo para la estructura molecular del ADN.
Figura
12. Alfred Day Hershey (4 de diciembre de 1908 -
22 de mayo de 1997). Químico y se doctor en Bacteriología en 1934
en la Universidad de Míchigan. En 1950 se traslada al Instituto Carnegie en el
departamento de genética en Washington. En 1952, junto a Martha Chase,
confirman que es el ADN la base del material genético, y no las proteínas. Este
trabajo será recordado como el experimento de Hershey y Chase.
Desde épocas antiguas ha sido registrada la
capacidad de las aguas de ciertos ríos para curar enfermedades de forma casi
milagrosa como la lepra. En 1896 Ernest Hanbury Hankin reportó que algo en las
aguas de los ríos Ganges y Yamuna en la india poseían una marcada propiedad
antibacteriana contra el cólera, esta propiedad podía traspasar incluso los
filtros de porcelana. En 1915 el bacteriólogo británico Frederick Twort
“1877-1950” superintendente del Instituto Brown de Londres, descubrió un
pequeño agente que infectaba y mataba las bacterias, lamentablemente la I
guerra mundial impidió que sus investigaciones prosiguieran su curso. De forma
independiente el microbiólogo Franco-Canadiense Félix d'Hérelle, quien
trabajaba en el Instituto Pasteur de París anunció el 3 de septiembre de 1917
que había descubierto “un microbio invisible que era antagonista a los
patógenos que causaban la disentería”. La conclusión a la que llegó
d´Hérelle fue que se trataba de un virus que mataba las bacterias. El nombre que
se le dio fue el de bacteriófago “devorador de bacterias” (YouTube). Inicialmente se pensaba que los
virus eran compuestos únicamente de proteínas, por lo que la investigación
realizada por ciertos miembros de la comunidad científica conocidos
informalmente como el grupo de los fagos conllevaría a confirmar que el ADN es
el material genético, no solo al interior de los fagos, sino en términos más
generales de todos los seres vivos.
Procedimiento
experimental
Hershey y Chase necesitaban ser capaces de examinar
diferentes partes de los fagos de forma separada, por lo que era importante
separar las secciones estructurales del virus. Para la época ya se sabía que
los virus poseían ADN y una serie de proteínas a su alrededor. ¿La solución?
Evidentemente los científicos no tienen cámaras moleculares para poder “ver”
con los ojos lo que sucede al nivel molecular, es allí donde la imaginación, el
ingenio y la lógica entran a trabajar. Recordemos que a pesar de que los virus
junto con los seres vivos son entidades totales que exhiben propiedades que van
más allá de la suma de sus partes, cada una de sus partes está compuesta por
átomos de elementos como el carbono, el nitrógeno, el azufre, el fósforo o el
hidrógeno. Los elementos no son entidades homogéneas, cada elemento puede
presentarse en diferentes versiones llamadas isótopos, y algunos isótopos
emiten radiaciones que pueden detectarse fácilmente con el equipo adecuado. Es
decir, es posible marcar cada sección del fago, incluyendo su ADN con
diferentes isótopos.
Para distinguir entre proteínas y ADN se emplearon el fósforo y el azufre, esto se debe a que las proteínas no contienen fósforo, mientras que el ADN sí; mientras que todas las proteínas contienen azufre. El nitrógeno no era útil ya que ambas sustancias contienen nitrógeno. Los isótopos elegidos fueron el fósforo-32 para marcar al ADN y el azufre-35 para marcar las proteínas. Incorporar isótopos no se puede realizar de forma manual, para lograrlo se cultivaron bacterias en medios ricos con los isótopos durante unas cuatro horas, de forma tal que sus proteínas y material genético se cargaban con los marcadores. Después de 4 horas, se infectaron estas bacterias con los fagos, de forma tal que estos adquirieron los isótopos marcados en sus propias estructuras. Este procedimiento fue hecho una vez para los fagos marcados con azufre y una vez para los fagos marcados con fósforo. Posteriormente, la progenie marcada fue extraída del caldo de cultivo y transferida a otro medio con isótopos normales, con bacterias sin marcar. Cuando un fago ingresa a una bacteria no lo hace de forma completa, una enorme sección se queda por fuera, la cuestión era saber que material era el que ingresaba a la bacteria, pues evidentemente se trataba del material genético del virus.
Figura
12. Procedimiento del experimento Hershey-Chase. El punto de las marcas era ver que material
ingresaba a la célula y, por ende, causaba la infección. Durante el experimento
el resultado más importante fue que el ADN ingresaba y las proteínas se
quedaban a fuera de las células infectadas.
Una vez se generaba la infección, las proteínas que
permanecían fuera de la bacteria podían ser removidas por medio de una centrifugación,
lo cual permitía tener acceso únicamente al material que había ingresado a las
bacterias. Los resultados fueron que, para los casos en que se marcaron las
proteínas de los fagos, la segunda progenie emergía sin marcar. Mientras que
para el caso en que se marcó el ADN la segunda progenie mantenía el marcador de
fósforo radiactivo. La consecuencia era clara, el material que había sido
transmitido desde la generación marcada hasta la segunda generación había sido
aquella marcada con el fósforo, y dado que no existen proteínas con fósforo, la
conclusión forzaba a admitir que era el ADN el que había sido transmitido
entre las dos generaciones.
No hay comentarios:
Publicar un comentario