ADN I: _{El materia genético}

La base química de la herencia

A mediados del siglo XIX, Gregory Mendel completó sus ya clásicos experimentos sobre la genética (ver nuestro módulo Genética I). Mendel propuso que los "caracteres" que controlan la herencia, exhibían patrones de comportamiento. Específicamente, parecían operar en pares y separarse independientemente durante la reproducción. El trabajo que hizo Mendel estableció algunas reglas y propiedades fidedignas sobre la genética y la herencia, pero nadie tenía idea alguna de cómo eran los "caracteres" de Mendel, ni cómo se transmitían las características de una generación a otra. Los científicos estaban convencidos de que la base de la genética y la herencia se podía encontrar en algún lugar en la química de nuestras células.

A principios de los años 1900, los científicos empezaron a enfocarse en la estructura de las células, que había sido descubierta recientemente, llamada cromosoma (denominada por Walther Flemming de las palabras griegas para denominar "cuerpos de color" porque ellos absorbían selectivamente la tinta roja que Flemming usaba para teñir las células). Curiosamente, los cromosomas parecían comportarse de una manera similar a los "caracteres" de Mendel. Específicamente, se alineaban al azar, se separaban y luego se segregaban unos de los otros, justo antes de la división de la célula, guardando semejanza con las leyes de la selección y la segregación independientes de Mendel (Figura 1). Gradualmente, los científicos empezaron a sospechar de la conexión entre cromosomas y herencia.

¿ADN o proteína?

Mientras que los biólogos parecían más convencidos de que los cromosomas eran la sede física de la genética y la herencia, los químicos se inclinaban hacia la idea de que estas estructuras estaban hechas de ambas, de proteínas y de ADN. Por ende, ¿cuál era la molécula genética que contenía toda la información hereditaria? Muchos científicos de la época, de hecho, creían que era la proteína, porque hay 20 aminoácidos diferentes para construir una proteína polimérica, mientras que los ADN de polímeros están hecho de sólo cuatro bases nucleótidas.

Considérelo así: la molécula genética funciona como un lenguaje que guarda información compuesta de palabras que están formadas de "letras" individuales. El "lenguaje" del ADN polimérico sólo tendría cuatro "letras" diferentes con las cuales trabajar (las cuatro bases nucleótidas), mientras que el "lenguaje de proteína" tendría 20 letras posibles - los 20 amino ácidos diferentes. ¡Imagine formar un lenguaje con sólo cuatro letras! Debido a que ofrece mucha más complejidad, la mayoría de los científicos a principios del siglo XX creía que la proteína era el componente de los cromosomas que contenía la información genética. Respecto al ADN, creían que tal vez, actuaba como apoyo estructural para el cromosoma, como el marco de una casa.

Griffith descubre la “transformación”

La aclaración se produjo durante la primera guerra mundial. Durante la guerra, cientos de miles de militares murieron de neumonía, una infección pulmonar causada por la bacteria Streptococcus pneumoniae. A principios de los años 1920, un joven oficial médico militar británico llamado Frederick Griffith empezó a estudiar la Streptococcus pneumoniae en su laboratorio esperando desarrollar una vacuna contra la misma. Como pasa a menudo en la investigación científica, Griffith nunca encontró lo que buscaba (todavía no hay una vacuna para la neumonía), pero en vez de eso, realizó uno de los descubrimientos más importantes en el campo de la biología: un fenómeno que llamó la "transformación."

El Dr. Griffith aisló dos variedades de la S. pneumoniae, una de la cuales era patógena (es decir que causa enfermedad o muerte, en este caso, neumonía), y otra que era inocua o inofensiva. Esta variedad patogénica parecía suave o lisa debajo del microscopio debido a una capa protectora que rodea la bacteria que Griffith llamó variedad S, por suave. La variedad inocua de la S. pneumoniae, no tenía la capa protectora y parecía rugosa o áspera debajo del microscopio, así que la llamó R, por rugosa (Figura 2).

El Dr. Griffith observó que si inyectaba algunas de las variedades S de la S. pneumoniae en ratones, estos se enfermarían con los síntomas de la neumonía y morirían, mientras que los ratones inyectados con la variedad R no se enfermaban. Luego, Griffith notó que si aplicaba calor a la variedad S de la bacteria, y después la inyectaba en los ratones, éstos no se enfermarían, pero morirían. Por lo tanto, Griffith formuló la hipótesis de que el calor excesivo mata la bacteria, algo que otros científicos, incluidos Louis Pasteur, ya habían demostrado con otros tipos de bacteria.

Sin embargo, el Dr. Griffith no se quedó ahí - decidió experimentar con algo: mezcló las bacterias R viviente (que no son patogénicas) con las bacterias S que habían muerto con el calor. Después, inyectó la mezcla en los ratones. Sorprendentemente, los ratones desarrollaron infecciones de neumonía y eventualmente murieron (Figura 3).

El Dr. Griffith examinó muestras de estos ratones enfermos y vio las bacterias S vivientes. Esto significaba que, o las bacterias S habían revivido, un escenario poco probable, o que la variedad R se había "transformado" de alguna manera en la variedad S. Por consiguiente, después de repetir este experimento muchas veces, el Dr. Griffith llamó este fenómeno "trasformación." Este descubrimiento fue significativo porque demostró que los organismos pueden ser de alguna manera "reprogramados" genéticamente en una versión ligeramente diferente de ellos mismos. Una variedad de bacteria, en este caso la variedad R de la S. pneumoniae, puede cambiarse en algo diferente, presumiblemente porque la transferencia del material genético de un donante, en este caso la variedad S matada con el calor.

Los científicos alrededor del mundo empezaron a repetir este experimento, pero de maneras ligeramente diferentes, tratando de descubrir exactamente qué ocurría. Se hizo claro que cuando las bacterias S se mueren por el calor, se parten y se liberaran muchas sustancias. Algo en esta mezcla puede ser absorbido por la bacteria viviente, desembocando en una transformación genética. Pero debido a que la mezcla contiene proteínas, RNA, ADN, lípidos y carbohidratos, la pregunta seguía siendo - ¿qué molécula es el "agente transformativo"?

Avery, MacLeod y McCarty descubrió el agente transformativo

La pregunta fue examinada de varias maneras, la más famosa por tres científicos que trabajaban en el Instituto Rockefeller (actualmente la Universidad de Rockefeller) en Nueva York: Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty. Estos científicos hicieron casi exactamente lo que Griffith había hecho en sus experimentos pero con los siguientes cambios. Primero, después de matar con calor la variedad S de las bacterias, separaron la mezcla en seis tubos de prueba. Por consiguiente, cada uno de los tubos de prueba contendría el "agente transformacional" desconocido. Se añadió una enzima diferente a cada tubo, excepto a uno 0 el de control - que no recibió nada. A los otros cinco tubos, una de las siguientes enzimas: RNASe, una enzima que destruye RNA; proteasa, una enzima que destruye proteínas; DNase, una enzima que destruye ADN; lipasa, una enzima que destruye lípidos; o una combinación de las enzimas que rompen los carbohidratos.

La teoría detrás de este experimento era que si el "agente transformacional" era, por ejemplo, proteína - el agente transformacional sería destruido en el tubo de prueba que contenía la proteasa, pero no en los otros. Por lo tanto, independiente de lo que fuera el agente transformacional, el líquido en uno de los tubos no podría transformar la variedad de la neumonía S. Cuando hicieron esto, el resultado fue dramático y claro. El líquido de los tubos que recibió las enzimas RNase, proteasa, lipasa y las que digieren los carbohidratos todavía podía transformar la variedad R de la neumonía en la variedad S. Sin embargo, el líquido que fue tratado con DNase perdió completamente su habilidad para transformar las bacterias (Figura 4).

Por lo tanto, era aparente que el "agente transformativo" en el líquido era ADN. Para demostrar esto más claramente, los científicos extrajeron líquido de la S. pneumoniae matada con calor (variedad S) y lo sometieron a una preparación y purificación extensiva, aislando sólo el ADN pura de la mezcla. Este ADN puro también podía transformar la variedad R en la variedad S y generar S. pneumoniae patógeno. Estos resultados ofrecieron evidencia poderosa que el ADN y no la proteína, eran de hecho el material genético dentro de las células vivientes.

Hershey y Chase investigan ADN contra proteínas

A pesar de este resultado muy claro, algunos científicos permanecieron escépticos y continuaron pensando que las proteínas eran probablemente la molécula genética. Ocho años después de que fuese publicado el famoso experimento de Avery, MacLeod y McCarty, dos científicos, Alfred Hershey y Martha Chase, realizaron un tipo de experimento genético totalmente diferente. Para su sistema experimental, seleccionaron un virus extremadamente pequeño llamado una bacteria fágica (o solamente fágica), que solamente infecta las células bacterianas. En ese momento, los científicos sabían que cuando estas fágicas infectan una célula bacteriana, de alguna manera "reprograman" la bacteria para transformarse en una fábrica para producir más fágicas. También sabían que la bacteria fágica en sí no penetra la bacteria durante la infección. Al contrario, una pequeña cantidad del material es inyectado en las bacterias y este material debe contener toda la información necesaria para construir más fágicas. Por lo tanto, esta sustancia inyectada es el material genético de la fágica.

Heshey y Chase diseñaron un experimento muy simple para determinar qué molécula, ADN o proteína, actuaba como el material genético en las fágicas. Para esto, usaron una técnica llamada etiquetado radioactivo. En el etiquetado radioactivo, se usa un isótopo radioactivo de algún átomo y éste puede ser seguido por su radioactividad (desde los años 1940, la radioactividad es detectada muy fácilmente con instrumentos de laboratorio, sigue siendo un instrumento muy común en la investigación científica). De tal manera, lo que hicieron Harshey y Chase fue hacer crecer dos grupos de fágicas en su laboratorio. Un grupo creció con la presencia del fósforo radioactivo. El elemento fósforo está presente en grandes cantidades en el ADN, pero no está presente en las proteínas de las bacterias y las fágicas. Por lo tanto, este grupo de fágicas hubiese tenido el etiquetado del ADN radioactivo. El segundo grupo de fágicas creció con la presencia de azufre radioactivo. El azufre es un elemento que se encuentra frecuentemente en las proteínas, pero nunca en el ADN. Por lo tanto, este segundo grupo de fágicas hubiese tenido el etiquetado de la proteína radioactiva.

Después, Hershey y Chase usaron estos dos grupos de fágicas en forma separada, para infectar las bacterias y después medir dónde terminaba la radioactividad. Lo que observaron fue que sólo estas bacterias infectadas con fágicas con el etiquetado del ADN radioactivo se convirtieron en radioactivas, en tanto que las bacterias infectadas con fágicas con el de la etiquetado proteína radioactiva, no se convirtieron en radioactivas. Por lo tanto, Hershey y Chase concluyeron que es el ADN, y no la proteína, que es inyectado en la bacteria durante la infección fágica y este ADN debe ser el material genético que reprograma las bacterias.

El mapa genético de la vida

Tomados en su conjunto, estos experimentos representan una sólida evidencia que el ADN es un material genético. Otros científicos confirmaron posteriormente que los resultados en muchos diferentes tipos de experimentos, incluidas células eucarióticas, y hasta las células humanas, pueden ser "transformadas" con la inyección del ADN. El resultado de estos descubrimientos fue el que convenció a las comunidades científicas y profanas que la molécula de la herencia es efectivamente el ADN. Y resulta que los instintos iniciales de muchos científicos estaban exactamente al revés: asumieron que la proteína era el material genético de los cromosomas y que el ADN solamente ofrecía la estructura. Lo opuesto resultó ser verdad. La molécula ADN contiene la información genética y las proteínas actúan como el marco estructural de los cromosomas.

El descubrimiento que el ADN era el "agente trasformador" y el componente genético de los cromosomas humanos fue uno de los mayores descubrimientos de la ciencia en el siglo XX. Sin embargo, el mecanismo de cómo el ADN codifica la información genética fue inicialmente un completo misterio y se convirtió en un enfoque de estudio científico muy intenso (ver nuestro módulo ADN II: La estructura del ADN). Todavía hoy, el estudio del funcionamiento del ADN comprende una disciplina entera de la ciencia llamada biología molecular. Aunque originalmente era una rama de la bioquímica, el campo de la biología molecular reúne a biólogos, químicos, antropólogos, científicos forenses, genetistas, botánicos y muchos otros que están trabajando para dar luz a la inmensa complejidad del ADN. Eso es lo que se llama el mapa genético de la vida.