EL NACIMIENTO DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR: EL DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEL ADN
El ADN y la biotecnología
Mucho se habla actualmente del ADN, incluso cada vez más se lo menciona en los medios de comunicación. Estudiar el ADN permite revelar relaciones familiares, resolver hechos delictivos, establecer relaciones evolutivas que datan de millones de años y desarrollar nuevos tratamientos o, posiblemente, la cura para algunos males. El ADN (ácido desoxiribonucleico) se encuentra dentro de cada célula, y contiene la información que determina, en interacción con componentes ambientales, las características que tendrá la célula y el organismo en su totalidad.
Desentrañar la estructura del ADN resultó esencial para comprender procesos celulares, y para desarrollar técnicas de biología molecular y de ingeniería genética, que contribuyeron al avance de la biotecnología moderna. Actualmente, mediante estas técnicas que emplea la biotecnología moderna, es posible transferir ADN de un organismo a otro y conferirle así nuevas características, diseñar nuevos fármacos o mejorar cultivos, entre otras aplicaciones.
Pero la historia del descubrimiento de la estructura y la función del ADN, comenzó hace algunos años atrás.
La historia del ADN
El ADN fue aislado por primera vez por el científico alemán Friedrich Miescher en 1869. Debido a que lo encontró en los núcleos de las células, denominó a este compuesto nucleína. A medida que se fue conociendo la estructura química de esta molécula, se lo llamó ácido nucleico y por último ácido desoxirribonucleico (ADN).
En 1914, el químico alemán Robert Feulgen describió un método para teñir el ADN por medio de un colorante llamado fucsina. Utilizando este método, descubrió que el ADN se encontraba formando parte de los cromosomas.
Seis años más tarde, el bioquímico P.A. Levene , analizó los componentes del ADN. Encontró que contenía cuatro bases nitrogenadas: citosina, timina, adenina y guanina; el azúcar desoxirribosa; y un grupo fosfato. Por medio de su descubrimiento concluyó que cada unidad básica del ADN, llamada nucleótido, está compuesta de una base nitrogenada unida a un azúcar y ésta unida a su vez a un grupo fosfato.
Desentrañar la estructura del ADN resultó esencial para comprender procesos celulares, y para desarrollar técnicas de biología molecular y de ingeniería genética, que contribuyeron al avance de la biotecnología moderna. Actualmente, mediante estas técnicas que emplea la biotecnología moderna, es posible transferir ADN de un organismo a otro y conferirle así nuevas características, diseñar nuevos fármacos o mejorar cultivos, entre otras aplicaciones.
Pero la historia del descubrimiento de la estructura y la función del ADN, comenzó hace algunos años atrás.
La historia del ADN
El ADN fue aislado por primera vez por el científico alemán Friedrich Miescher en 1869. Debido a que lo encontró en los núcleos de las células, denominó a este compuesto nucleína. A medida que se fue conociendo la estructura química de esta molécula, se lo llamó ácido nucleico y por último ácido desoxirribonucleico (ADN).
En 1914, el químico alemán Robert Feulgen describió un método para teñir el ADN por medio de un colorante llamado fucsina. Utilizando este método, descubrió que el ADN se encontraba formando parte de los cromosomas.
Seis años más tarde, el bioquímico P.A. Levene , analizó los componentes del ADN. Encontró que contenía cuatro bases nitrogenadas: citosina, timina, adenina y guanina; el azúcar desoxirribosa; y un grupo fosfato. Por medio de su descubrimiento concluyó que cada unidad básica del ADN, llamada nucleótido, está compuesta de una base nitrogenada unida a un azúcar y ésta unida a su vez a un grupo fosfato.
Fuente: http://wwwbioq.unizar.es/EMvirtual/1agua/nucleotido.jpg
El factor de transformación
Ya en esos años, entre los científicos estaban planteadas algunas preguntas: ¿qué sustancia era la encargada de transmitir ciertos caracteres? ¿Cuál era la composición química de los genes?
La respuesta la trajo el estudio de una enfermedad infecciosa mortal: la neumonía. Durante la década de 1920, el médico inglés Frederick Griffith estudió las diferencias entre una cepa de la bacteria Streptococcus peumoniae que producía la enfermedad y otra que no la causaba. La cepa que causaba la enfermedad estaba rodeada de una cápsula de polisacáridos que le daba a las colonias de estas bacterias en las placas de Petri un aspecto liso o suave, por lo cual se las denominó cepa S (smooth, en inglés). La otra cepa no tiene cápsula y no causa neumonía y se la denomina cepa R (rugosa) también por el aspecto de la colonia.
La siguiente ilustración representa la experiencia realizada por Griffith, y los resultados que obtuvo:
Explicación de experiencia. Griffith inyectó las diferentes cepas de la bacteria en ratones. La cepa S mataba a los ratones mientras que la cepa R no lo hacía. Luego comprobó que la cepa S muerta por calentamiento, no causaba neumonía cuando se la inyectaba. Sin embargo cuando inyectaba una combinación de la cepa S muerta con la cepa R viva, los ratones contraían neumonía y morían.Aún más, en la sangre de estos ratones muertos Griffith encontró neumococos vivos de la cepa S. Es decir que en las bacterias S muertas había “algo” capaz de transformar a las bacterias R, antes inocuas, en patógenas y este cambio era permanente y heredable.
¿Cómo podían las bacterias S muertas transmitirle a las bacterias R vivas la propiedad de enfermar y matar a los ratones?
¿Habría alguna sustancia capaz de pasar de una bacteria a la otra y transmitirle esa nueva propiedad?
¿Qué era el principio transformante?
Luego de los resultados publicados por Griffith, el bacteriólogo canadiense Oswald Avery se propuso descubrir la sustancia que él suponía era el factor responsable del fenómeno de transformación. Así fue como en 1944 junto a sus colegas de la Univ. de Rockefeller Colin MacLeod y Maclyn McCarty encontraron que podían eliminar las proteínas, los lípidos, los polisacáridos y el ARN extraídos de las bacterias S sin disminuir la propiedad de transformar a los neumococos R en S. Por otra parte, si purificaban el ADN de las bacterias y lo incubaban con las bacterias R, éstas se transformaban en S. Por lo tanto, concluyeron que era el ADN el principio transformante que hacía que los neumococos R se transformaran en S. En efecto, se descubrió que era el ADN el que llevaba la información necesaria para que la cepa R fuera capaz de sintetizar una cápsula de polisacáridos idéntica a la que poseían las bacterias S.
A pesar de esto, cuando Avery, MacLeod y McCarty publicaron sus resultados en 1944, fueron muy pocos los que creyeron que los genes eran parte del ADN. En esa época era difícil de imaginar que una molécula compuesta sólo de cuatro bases nitrogenadas diferentes pudiera llevar toda la información genética que precisaban los seres vivos. Se creía, entonces, que eran las proteínas las candidatas para tal función, debido a su gran complejidad y múltiples formas.
El material hereditario
Si bien al período entre 1900 y 1940 se lo consideraba la edad de oro de la genética, hasta ese momento, los científicos creían que el material hereditario eran las proteínas.
En 1952 Alfred D. Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos destinados a dilucidar si el ADN o las proteínas eran el material hereditario.
Trabajaron con bacteriófagos o fagos, que son virus que infectan bacterias. Debido a que los fagos están compuestos sólo por una cabeza proteica que guarda en su interior ADN, eran la herramienta ideal para resolver la naturaleza del material hereditario.
Figura: Los bacteriófagos son un tipo de virus que atacan a las bacterias. Están constituidos por ADN y una cubierta de proteínas. En la actualidad se sabe que los bacteriófagos infectan una célula inyectándole su ADN, el cual "desaparece" mientras toma control de la maquinaria de la bacteria que comienza a fabricar nuevos virus.
Fuente: http://www.biologia.edu.ar/adn/adntema0.htm
Su experimento consistió en marcar el ADN y las proteínas, con alguna sustancia que los hiciera visibles, como los isótopos radioactivos, esto permitiría ver cuál de ellos entraba en la bacteria. Ese sería el factor transformador de Griffith.
Dado que el ADN contiene fósforo (P) en su grupo fosfato pero no azufre (S), ellos marcaron el ADN con Fósforo-32 radioactivo. Por otra parte, las proteínas no contienen P pero si S, y por lo tanto se marcaron con Azufre-35 radioactivo.
Hershey y Chase encontraron que el S-35 quedaba fuera de la célula mientras que el P-32 se lo encontraba en el interior. Por lo tanto, dedujeron que durante la infección el ADN del fago entra en la bacteria, dejando afuera la cabeza proteica. Es decir que el ADN lleva la información para hacer más fagos hijos dentro de la bacteria. En otras palabras, el experimento indicaba que era el ADN el portador de la información genética del fago.
Esta conclusión coincidía con la obtenida por Avery, MacLeod y McCarty, que indicaba que el ADN era el material genético de las bacterias. Sin embargo, fue el experimento de los fagos el que disipó las dudas sobre la composición química de los genes: eran parte del ADN y, por lo tanto, estaban integrados por los cuatro tipos de nucleótidos.
Las reglas de Chargaff
Como se mencionó anteriormente, para esa época prevalecía la idea de que el ADN era una molécula demasiado simple como para ser considerada portadora de la información genética. Esta idea fue desechada en 1950 por el científico checo Erwin Chargaff del Instituto Rockefeller, quien analizó en detalle la composición de bases del ADN extraído de diferentes organismos. Llegó a la sorprendente conclusión de que las cuatro bases nitrogenadas no se encontraban en proporciones exactamente iguales en las distintas especies, lo cual sugirió que el ADN no debía ser tan monótono como se pensaba.
Chargaff demostró que, independientemente del origen del ADN, la proporción de purinas era igual a la de pirimidinas. Es decir, adenina (A) aparecía con tanta frecuencia como la timina (T) y la guanina (G), con tanta frecuencia como la citosina (C). Había dos juegos de equivalencias, A y T por un lado y G y C por otro.
Este resultado reflejaba por primera vez un aspecto estructural del ADN. Indicaba que, independientemente de la composición de A o de G en un ADN, siempre la concentración de A es igual a la de T y la de C igual a la de G. Sin embargo, en aquel momento Chargaff no sospechó las implicancias que podían tener estas reglas, denominadas más tarde “reglas de Chargaff”, en el esclarecimiento de la estructura del ADN.
El descubrimiento de la doble hélice
A principios de la década de 1950 existía un programa científico de investigación del ADN, sus propiedades, métodos de extracción y composición en las diferentes células. Tres grupos de investigadores trabajaban simultáneamente en la estructura del ADN. Uno de ellos, el del químico de Oregon Linus Pauling y sus colegas, formuló un modelo que resultó ser equivocado, en el cual la molécula de ADN debía estar formada por una triple hélice.
En el segundo equipo del King's College de Londres, liderado por Maurice Wilkins, trabajaba la cristalógrafa británica Rosalind Franklin. Ella fue la primera en obtener una excelente fotografía del ADN por difracción de rayos X, a partir de la cual podía deducirse la distribución y la distancia entre los átomos que formaban parte del ADN.
Fuente: “Los tres caminos hacia la doble hélice” de Miguel de Asúa. Revista Ciencia Hoy, Volumen 13 N° 76, Agosto -Setiembre 2003.
Figura: Rosalind Franklin y la fotografía del ADN por difracción de rayos X que lograra obtener en 1952. Los rayos X pueden difractarse -ser dispersados- al atravesar un cristal, ya que el cristal está formado por redes de átomos que actúan como tramas de difracción muy finas. Los diagramas resultantes pueden fotografiarse y analizarse para determinar la distancia entre los átomos del cristal. El estudio de fotografías obtenidas por esta técnica en cristales de macromoléculas biológicas fue fundamental en el descubrimiento de la estructura del ADN..
Cuenta la historia que mientras Wilkins y Franklin intentaban traducir sus datos en una estructura probable, la fotografía fue vista por el biólogo estadounidense James Watson y el físico británico Francis Crick, los cuales formaban el tercer equipo que estaba investigando la estructura del ADN en la Univ. de Cambridge.
Watson y Crick tenían en mente una serie de posibles estructuras, pero al carecer de buenas fotografías no podían concluir sobre cuál era la correcta. Acceder a la fotografía de Franklin fue clave para lograrlo. De esta forma, Watson y Crick pudieron publicar en 1953, en el mismo número de la revista Nature en el que publicaron sus fotografías Wilkins y Franklin, la estructura de doble hélice del ADN. Watson y Crick inician su artículo original de esta manera:
“Deseamos sugerir una estructura para el ácido desoxirribonucleico (ADN). Esta estructura tiene características novedosas que son de considerable interés desde el punto de vista biológico”.
Figura. Según el modelo de Watson y Crick, el ADN es una doble hélice, con las bases nitrogenadas dirigidas hacia el centro, perpendiculares al eje de la molécula (como los peldaños de una escalera caracol) y las unidades azúcar-fosfato a lo largo de los lados de la hélice (como las barandas de la escalera). Las hebras que la conforman son complementarias (deducción realizada a partir de los datos de Chargaff), Adenina se aparea con Timina y Citosina con Guanina y el apareamiento se mantiene debido a la acción de los puentes hidrógeno entre ambas bases. Ellos calcularon las distancias exactas que debía haber entre las cadenas y entre los átomos que las componen.
La estructura de la doble hélice sin duda revolucionó la biología molecular y proporcionó respuestas a muchas preguntas que se tenían sobre la herencia. Predijo la autorreplicación del material genético y la idea de que la información genética estaba contenida en la secuencia de las bases.
La investigación siguió su curso. El bioquímico estadounidense Arthur Kornberg anunció la purificación parcial de una enzima, la ADN polimerasa, que cataliza (acelera) la síntesis del ADN.
Fuente: http://www.argenbio.org/h/biotecnologia/03.php
En 1962 James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el premio Nobel en medicina por el descubrimiento de la estructura del ADN. Rosalind Franklin había fallecido en 1958, a los 37 años de edad.
Una línea en la historia de la biología molecular
La publicación de la estructura del ADN en 1953, sentó las bases para el desarrollo de nuevas áreas de investigación como la biología molecular y la biotecnología. Entre los aportes más importantes se pueden nombrar:
1956: Vermon Ingram, del laboratorio de Estructura Molecular MRC, en Cambridge, descubre que la anemia falciforme era causada por el cambio de un aminoácido en la hemoglobina, la molécula que lleva el oxígeno en la sangre. Análisis posteriores revelaron que se debía a la mutación o cambio de un nucleótido en la secuencia de ADN que codifica para esa proteína.
1958: Matthew Meselson (Univ. de Harvard) y Franklin Stahl (Univ. de Oregon) probaron la naturaleza semiconservadora de la replicación del ADN. Esto significa que cada una de las dos moléculas copiadas de ADN formadas durante la replicación de ADN están constituidas por una hebra de la molécula original y la nueva hebra sintetizada a partir de la hebra original.
1961-1966: Francis Crick y el genetista británico de origen sudafricano Sydney Brenner descubren la forma en que se organizan las bases del ADN para producir aminoácidos. Su teoría es confirmada en 1966 por el biólogo norteamericano Marshall Nirenberg, Heinrich Mathaei y el bioquímico español Severo Ochoa, quienes descifraron el código genético para cada uno de los 20 aminoácidos.
1970-1973: Nacimiento de la ingeniería genética. Científicos en diversas partes del mundo comienzan a experimentar cortando y uniendo segmentos de ADN para realizar distintas combinaciones (ADN recombinante). Los biólogos Paul Berg y Herb Boyer de la Univ. de Stanford y Univ. de California produjeron las primeras moléculas combinadas de ADN en 1972, y en 1973 S. Cohen y A. Chang demuestran que el ADN recombinante puede ser replicado y mantenido en la bacteria E. coli.
1975: El doctor argentino César Milstein y el doctor alemán George Kholer, del Laboratorio de Biología Molecular de la Univ. de Cambridge descubrieron los anticuerpos, que son una de las armas que tiene el sistema inmune para luchar contra las enfermedades y son fabricados por células específicas. Estos científicos lograron mantener anticuerpos en cultivo fuera del organismo y mezclarlos con células tumorales, con lo cual logró un mecanismo "artificial" de reproducción de anticuerpos en su forma más pura. Ese hallazgo, permitió el diagnóstico de enfermedades y simplificó testeos, como el del grupo sanguíneo, el HIV o el embarazo.
1975-1977: Comienzan los análisis al genoma. Ed Southern de la Univ. de Edimburgo, desarrolla una prueba que comenzaría uno de los proyectos más ambiciosos de la ciencia moderna: la secuenciación del genoma humano. La prueba se conoce como "Southern Blotting" y permite que el investigador que trabaja con un segmento de ADN conozca el lugar en el que estaba ubicado dentro del genoma antes de que fuera fragmentado.
1977: Fred Sanger (Univ. de Cambridge) desarrolló una técnica para leer el ADN “letra por letra” (nucleótido por nucleótido o base por base).
1984: El investigador inglés Alec Jeffreys, del Laboratorio de Estructura Molecular de la Univ. de Cambridge descubrió una forma de leer las “huellas dactilares” del ADN, o “huellas genéticas” para cada individuo. De esta forma las personas pueden ser identificadas con tan sólo una muestra de su ADN. Sus pruebas han permitido avances en estudios forenses, criminología, en pruebas para determinar la paternidad y el parentesco entre individuos, y en estudios de evolución biológica.
1985: K. Mullis describe su método de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) que permite conseguir múltiples copias de una secuencia de ADN dada.
1990: El Proyecto Genoma Humano es lanzado este año. El propósito era localizar cada gen en el genoma humano. En 1995, los estadounidenses Craig Venter, Claire Fraser, Hamilton Smith y otros investigadores de la empresa Celera Genomics, completaron la secuencia del primer genoma de un organismo vivo, la bacteria Hemophilus influenzae.
1991: Nace Tracy, la primera oveja transgénica, que producía en su leche una proteína humana, la alfa-1-antitripsina.
1997: Nace la oveja Dolly, el primer mamífero adulto clonado por Ian Wilmut y sus colegas en el Instituto Roslin en Bélgica.
1999-2001: Se completa la primera secuencia del cromosoma humano número 22. El primer ensayo del genoma humano es anunciado en el año 2000 y otros genomas, de plantas y bacterias son secuenciados. En el 2001 se ensaya por primera vez la terapia genética donde los fallos en los genomas de los pacientes son tratados con copias saludables de los genes alterados.
2002: Se publica el primer borrador completo de la secuencia del genoma humano.
2002: Nace en Argentina Mansa, la primera ternera clonada y transgénica que produce la hormona de crecimiento humana en su leche. Este logro argentino fue concretado por la empresa de biotecnología Biosidus.
2004: En Argentina nace Pampero, el primer ternero transgénico en el mundo que produce la hormona de crecimiento humana.
Como dicen los científicos argentinos Alberto Díaz y Diego Golombek en su libro “ADN, 50 años no es nada”:
“Desde que Watson y Crick descubrieron por primera vez la estructura del ADN que permitía, además, explicar los mecanismos de duplicación celular, comenzó esa gran aventura del conocimiento y del ingenio que es la biología molecular. Sin embargo han pasado cincuenta años y, por suerte, seguimos descubriendo el misterio; como decía César Milstein, la curiosidad seguirá abriendo caminos y resultados”.
