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Se ha afirmado que el químico suizo Friedrich Meischer en correspondencia con su tío en 1892, comenta que la nucleína era una molécula muy grande y compleja, cuyo isomería podía proporcionar un número suficiente de moléculas, de acción diferente, portadoras de innumerables características hereditarias. En una analogía que hoy causa asombro apunta que esta transmisión química, podría compararse con la variedad de un idioma que encuentra como expresión la combinación de una veintena de letras. Semejante símil no entró en el repertorio de ideas de la comunidad científica hasta que más de medio siglo después el físico y filósofo austríaco Erwin Schrödinger (1887- 1961) introdujera el concepto de código genético.
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La cromatina de Fleming, ese complejo estructural filiforme investigado bajo el paradigma del microscopio y las nuevas técnicas de tinción, fue pronto sometido a estudio por otros investigadores y en 1889 es rebautizado con el término de cromosoma por el citólogo alemán Wilhelm Waldeyer (1836-1921), discípulo de quién fuera considerado padre de la histología, Friedrich G. J. Henle (1809 -1885).
Con
Fleming y Waldeyer la teoría cromosómica de la herencia está tocando a
las puertas del conocimiento humano.
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Nadie aportó tanto al desarrollo inicial de las investigaciones en el campo de las mutaciones genéticas inducidas como el investigador estadounidense Hermann Joseph Muller (1890-1967). Condujo sus investigaciones con ese organismo ideal para los estudios genéticos que es la mosca del vinagre, con sólo 4 pares de cromosomas, cromosomas gigantes en las células de las glándulas salivares y un ciclo reproductivo de sólo dos semanas.
Muller fue un divulgador incansable de los peligros que entrañaban las radiaciones nucleares por concepto de las mutaciones irreversibles que podrían engendrar en los genes de la especie humana.
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%20course%20II/Pages/
history_of_genetics5.htm
A
partir del modelo del tetranucleótido plano propuesto por Levene se deducía
que los ácidos nucleicos eran moléculas muy monótonas, casi
invariables, extremadamente rígidas. Por tanto, se descartaron rápidamente
como el tipo de molécula capaz de transmitir la información genética, y
la comunidad investigadora se centró en el estudio de las proteínas como
moléculas portadoras de la herencia.
Levene era un científico muy influyente en su época, y su opinión era poco menos que indiscutible. No obstante conviene destacar que colegas y discípulos lo recuerdan ante todo por sus virtudes, el ser un gran maestro que combinaba generosidad, apoyo y entusiasmo con su experiencia y conocimiento. Al morir no se había aclarado aún el significado genético del ADN.
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profiles.nlm.nih.gov/CC/Views/
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La
publicación de Avery, MacLeod y
McCarty en que anuncian al mundo científico que el factor
transformante de Griffith no es otro que el ADN parece técnicamente
irreprochable. Sin embargo esta
evidencia experimental no fue suficiente para convencer a la
comunidad científica de que los genes eran ADN y no proteínas. Avery había
cumplido ya los 67 años, pero logra asistir con vida a las experiencias
definitivas de Hershey ocho años más tarde. De cualquier modo, sus
trabajos actuaron como detonante del desarrollo explosivo y fascinante de
la Biología Molecular.
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El químico inglés A. Todd se destacó en
diversas áreas de los compuestos naturales. Sus aportaciones fueron
decisivas para lograr la producción comercial de las vitaminas A y E.
Bajo la dirección de Todd se desarrollaron las investigaciones que
descifraran la estructura de la pieza elemental del edificio que
caracteriza a los ácidos nucleicos, con lo cual quedaba fertilizado el camino hacia
el descubrimiento de su cadena polinucleótida.
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A fines de 1951 Rosalind Franklin había obtenido los espectros más nítidos del ADN hasta la fecha, y de acuerdo con una práctica reconocida presentó en una conferencia en el King’s College sus resultados. Su interpretación de los datos espectrales conducían a una estructura molecular formada por dos o cuatro cadenas helicoidales entrelazadas, integradas por azúcares y fosfatos, con bases nitrogenadas orientadas hacia la parte interior de la hélice. La historia del descubrimiento de la estructura del ADN concluye con los aplausos recibidos por el trío integrado por Wilkins, Crick y Watson. Rosalind, que víctima de un cáncer muere prematuramente con 34 años, se ha considerado un ejemplo de la discriminación de la mujer en el campo de la ciencia aún en época tan reciente como la segunda mitad de este siglo.
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El
bioquímico español Severo Ochoa (1905-1993) dio el primer paso hacia el
camino de sintetizar in vitro un ácido nucleico cuando logra aislar la
polinucleotidofosforilasa, enzima capaz de sintetizar ácidos
ribonucleicos.
Graduado
en Madrid en 1929, se sintió obligado a emigrar de la España de la
posguerra civil, carente del necesario aliento al trabajo científico.
Luego
de realizar estudios de postgrado en Alemania e Inglaterra se instala en
los Estados Unidos en 1940 incorporándose a la Universidad de Nueva York
donde llega a alcanzar la jefatura del Departamento de Bioquímica.
Sus hallazgos fueron decisivos para descifrar el código genético, ya que en 1955 logra por vez primera en la historia la síntesis de un ácido nucleico.
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Har Gobind Khorana (1922- ), nacido en Raipur, India, a los 23 años se doctoró en Medicina por la Universidad de Punjab y en 1948 obtuvo el doctorado en Química por la Universidad de Liverpool. Tres años más tarde, durante una estancia en la Universidad de Cambridge, inicia sus investigaciones sobres los ácidos nucleicos bajo la dirección de sir Alexander Todd. Trasladado a la Universidad de la Columbia Británica en Canadá establece su grupo de investigación en la sección de Química Orgánica de esta institución durante ocho años. Recibió en 1968, junto a los bioquímicos estadounidenses Robert Holley (1922-1983) y Marshall Nirenberg (1927- ) el premio Nobel de Fisiología y Medicina por sus estudios independientes sobre el código genético. La síntesis de un gen de levadura en 1970 demostró la relevancia de los trabajos de Khorana.
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En 1990, el afamado investigador David Baltimore, uno de los descubridores de la enzima que revolucionó la concepción sobre la vía de la transmisión de información genética, llegó a la presidencia del consejo de administración de la Universidad de Rockfeller. Poco después debió enfrentar un proceso judicial por la acusación de ser partícipe de brindar información fraudulenta en un documento, que le hizo abandonar todo cargo directivo, hasta que seis años más tarde un tribunal federal lo declaró exento de toda culpabilidad. Esta decisión lo llevó de nuevo a una posición preeminente esta vez como presidente del Instituto de Tecnología de California. Desde fines de los noventa encabezó el programa de investigaciones estadounidense para el desarrollo de vacunas contra el retrovirus del SIDA. Fue uno de los relevantes científicos estadounidenses firmantes del acto inaugural de la “Union of Concerned Scientists”, inconformes con la política científica de la actual Administración estadounidense y preocupados con los problemas ambientales globales.
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Cuando
Paul Berg se encontraba investigando la producción de un virus sintético
con un ADN híbrido fue capaz de evaluar las imprevisibles consecuencias
que podría tener la salida de tales especies del laboratorio. Consciente
de los riesgos que se corrían con la creación de esta técnica tuvo la
responsabilidad social de solicitar a las autoridades y a la comunidad
científica que se prohibieran tales experimentos hasta crear las
directrices de seguridad que garantizaran prácticas sin riesgos. Su
contribución en este empeño se ha reconocido como decisiva.
Posteriormente, continuó sus investigaciones y las coronó con el éxito. En febrero del 2004 fue uno de los 20 laureados por la Academia Nobel que firmaron una carta abierta al presidente Bush criticando la política científica de la actual administración estadounidense y acusándola de supresión y distorsión de los hallazgos científicos y destacando las consecuencias que este tipo de actuación puede tener sobre la salud humana, la seguridad pública y el bienestar común.
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wiki/Kary_Mullis
La expansión que promovió en la biología molecular, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), hizo merecedor a Kary Mullis del premio Nobel de Química en 1993. Tras las justas afirmaciones de que la simplicidad de la técnica permite su aplicación por analistas sin una formación especializada en biología molecular se esconden los ingentes esfuerzos por dominar cada etapa del proceso: la desnaturalización del ADN original a temperaturas altas, la unión de las cadenas complementarias del ADN artificial mediante los cebadores oligonucleótidos al ADN de plantilla, y la replicación del ADN objetivo de cadena doble por la acción de la enzima polimerasa del ADN. Una de sus limitaciones iniciales, la necesidad de encontrar una polimerasa térmicamente estable fue superada con la ingeniosa idea de emplear la polimerasa de una bacteria termófila pero finalmente la propia tecnología del ADN recombinante vino en ayuda de su hermana la PCR para fabricar una bacteria que sintetiza la polimerasa requerida.
El siglo XIX había demostrado que las ciencias estaban incubando el asalto a los misterios de la herencia. Las primeras leyes que explican el mecanismo de transmisión de las características de los progenitores a sus descendientes salió a la luz (o a la penumbra) en un artículo publicado por el monje checo Gregor Mendel en un Boletín de la Sociedad de Ciencias Naturales de Brno.
Corría el 1866 cuando sus "Experimentos con plantas híbridas" debieron estremecer a la comunidad científica con su deducción de que cada uno de los caracteres del organismo está determinado por un par de factores, que son aportados por cada progenitor. Tales "unidades hereditarias" no se mezclan sino se transmiten con toda la información sólo que uno de los factores resulta dominante sobre el otro. Sin embargo, tan trascendentales conclusiones, que significaban la apertura a un nuevo horizonte del conocimiento humano, el área de la genética, no fueron "registradas" por la comunidad científica hasta principios del siglo XX.
Bien diferente fue la suerte corrida por la obra de Charles Darwin (1809 - 1882) "El origen de las especies y la selección natural" cuya publicación en 1859 se agotó el primer día que salió a la calle. Se ha dicho que el pensamiento moderno está unido al evolucionismo de Darwin. Variabilidad y herencia he ahí las dos cuerdas tocadas con ingenio por Darwin y Mendel para sentar las bases de la ciencia de la Genética en el XX.
Más temprano que tarde los “factores” hereditarios mendelianos y la evolución darwinista de las especies debían conectarse con la teoría celular edificada en 1838 - 1839 por el botánico Matthias J. Schleiden (1804 – 1881) y el naturalista Theodor Schwann (1810 – 1882). Si la célula actúa como unidad de estructura y función del organismo, implícitamente debe ser portadora del material hereditario.
Los estudios iniciales sobre la constitución química del núcleo de las células corrió a cargo de dos discípulos inspirados por ese fundador de la fisiología química que fuera Ernest F. Hoppe Seyler (1825 – 1895). La mayor parte de su obra científica fue desarrollada en la Universidad de Tübingen y dirigida al estudio de las características químicas y ópticas de la hemoglobina.
En la década de los sesenta ingresa en el laboratorio de Hoppe Seyler el joven químico suizo Johann Friedrich Miescher (1844-1895) y pronto se siente atraído por la naturaleza química del material nuclear contenido en las células de la sangre, cuya composición investigaba su mentor. A la suerte unió Miescher el talento para comprender que los leucocitos de la sangre constituían un excelente material para analizar los núcleos pues dichas células presentaban núcleos relativamente grandes y que el pús de los vendajes quirúrgicos de una clínica de Tubinga, constituían una excelente fuente de estas células.
Así, en 1868, Miescher descubre en el núcleo de las células de los glóbulos blancos, una sustancia de naturaleza ácida rica en fósforo y nitrógeno compuesta por moléculas muy grandes, a la que nombra nucleína. No se había reportado hasta entonces ningún componente químico celular con esta naturaleza y Hoppe-Seyler no le permitió publicar sus resultados hasta tanto él mismo no los reprodujo en el laboratorio [3]. En 1889 el patólogo alemán Richard Altmann (1852 –1900), discípulo de Miescher, lograba separar por vez primera las proteínas de la “nucleína”, llamando a la nueva sustancia, ácido nucleico.
También bajo la inspiración de Hoppe Seyler, se abrió paso la investigación conducida desde fines de los años setenta por el químico-fisiólogo alemán Albrecht Kossel (1853-1927) sobre la constitución química del núcleo de la célula. Kossel descubre que las nucleoproteínas contienen una parte proteica y otra no proteica y precisamente en esta última, donde se encontraban los ácidos nucleicos, halló las bases heterocíclicas nitrogenadas de la adenina y la timina. Por estas investigaciones recibió en 1910 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina [4].
Por la década de los ochenta el médico alemán Walther Flemming (1843 – 1905) era uno de los pioneros en la investigación de las estructuras nucleares de la célula. Su objetivo era bien diferente a los planteados por Miescher o Kossel, su misión era revelar qué ocurría en las estructuras del núcleo durante la división celular. Como asistente del químico-fisiólogo Willy Kuhne (1837 – 1900), en el Instituto de Fisiología de Ámsterdam, Fleming aplicó los colorantes derivados de la anilina, sintetizados en el verano de 1856 por William H. Perkin (1838 – 1907), para la tinción de células, y pudo observar al microscopio la existencia en el núcleo de estructuras en forma de cintas, que absorbían fuertemente el colorante, a las cuales nombró cromatina.
Lo más trascendente del hallazgo de Flemming fue revelar en 1882 que durante la mitosis celular tales cintas se dividen longitudinalmente en dos mitades idénticas. Se ofrecía el primer resultado experimental que acusaba la existencia de estructuras en el núcleo que se detectaban y se segregaban en pares a las células hijas durante la división celular.[5] Especialmente útil habría sido para el médico alemán haber contado con los resultados de Mendel y relacionar sus factores con las mitades de las estructuras en cintas pero esta posibilidad no fue dada entonces por la historia.
Más de diez años debieron pasar antes de que los cromosomas fueran considerados como el soporte físico de las unidades hereditarias o factores mendelianos. Las bases de la teoría cromosómica de la herencia nacerían en la frontera del siglo XX de modo independiente en Estados Unidos y en Alemania, siendo desarrolladas por Walter Sutton (1877 – 1916) y Theodore Boveri (1862 –1915).
Pronto aparecería el término de gene para expresar las unidades discretas que definen los patrones de herencia de la pluma del farmacéutico danés Wilhelm Johannsen (1857 – 1927) en uno de los libros fundacionales de la teoría hereditaria “Los elementos de la herencia” (1905). Johannsen que diera sus primeros pasos en el departamento de Química del laboratorio Carlsberg bajo la dirección del famoso químico Johan Kjeldahl (1849-1900), realiza una aportación sobresaliente a la naciente ciencia con la distinción que logra hacer entre el genotipo (expresión de la constitución genética del organismo) y el fenotipo (características de un organismo que resultan de la interacción de su genotipo con el ambiente).
La tarea sentenciada por el británico William Bateson (1861 – 1926), otro de los principales arquitectos de la ciencia emergente de la genética, de que “como el químico estudia las propiedades de cada sustancia química, así deben ser estudiadas las propiedades de los organismos y su composición determinada” es misión que se abre camino con dificultad por la complejidad estructural de las sustancias involucradas en la fisiología celular.
El grupo de la Drosophila (mosca del vinagre) de la Universidad de Columbia, bajo la dirección del genetista estadounidense Thomas Hunt Morgan (1866 1945) cierra un primer estadio de la teoría de la herencia cuando descubre en 1909 la relación entre los caracteres hereditarios y el sexo. Alfred Henry Sturtevant (1891-1970), alumno de Morgan, deduce en 1913 que los genes deben colocarse de forma lineal sobre el cromosoma ocupando sitios específicos dentro de los mismos, y elabora el primer mapa genético de un organismo: la mosca del vinagre.
Más adelante en 1915 publican el libro “El mecanismo de la herencia mendeliana” que sienta definitivamente las bases de la herencia fenotípica. A partir de entonces las investigaciones se orientan hacia el campo de las mutaciones, la química de la transmisión de los caracteres y la base molecular de la herencia.
El joven médico de origen ruso, Phoebus Levene (1869 - 1940), quien más tarde encabezaría el laboratorio de Bioquímica del Instituto Rockefeller para la Investigación Médica, trabajó desde 1896 hasta 1905 en los laboratorios de los grandes químicos alemanes Kossel y Emil Fischer, pioneros en los estudios sobre ácidos nucleicos y proteínas, respectivamente. Allí comprobó en 1900 que la nucleína se encontraba en todos los tipos de células animales analizadas. Más adelante, en 1909, puso de manifiesto que los ácidos nucleicos estaban compuestos de ácido fosfórico, una pentosa y las bases nitrogenadas.
Levene demostró que la pentosa que aparecía en la nucleína de levadura era ribosa, pero tuvo que esperar hasta 1929 para identificar como desoxirribosa la pentosa aislada del timo de los animales. Esta diferencia le hizo proponer que la nucleína de los animales era el nucleato de desoxirribosa —hoy en día llamado ácido desoxirribonucleico o DNA—, mientras que los vegetales contenían nucleato de ribosa —ácido ribonucleico o RNA—. Pronto se demostró que era incorrecta su propuesta de que los cromosomas vegetales eran de RNA y los animales de DNA.
En 1926 Levene propuso un modelo para la conformación de los ácidos nucleicos: el tetranucleótido plano. El modelo del tetranucleótido de Levene implicaba que los ácidos nucleicos estaban formados por planos apilados, que constaban de cuatro pentosas que exponían hacia el exterior las bases nitrogenadas (que van unidas por un enlace glucosídico a la pentosa); las pentosas se unen entre sí por fosfatos a través de enlaces fosfoéster. Esta estructura respondía a los resultados sobre la composición de los ácidos nucleicos y la naturaleza de los enlaces covalentes que los componen.
La
estructura de los virus esos microorganismos que tal vez resulten la primera
pieza de la vida, y que tantas víctimas ha cobrado a la humanidad, era
investigada en el Instituto Rockefeller para la Investigación Médica por el
bioquímico estadounidense Wendell Meredith Stanley (1904-1971). En 1935 Stanley
descubre la importancia del ácido ribonucleico en la actividad del virus. Al
lograr la cristalización del virus del mosaico del tabaco, de estructura
anormalmente alta, descubre que estaba compuesto por proteínas y ácido
ribonucleico. Luego, al aislar el ácido ribonucleico de la envuelta proteica
fue capaz de demostrar que era el ácido nucleico el responsable de la actividad
del virus. En 1946, Stanley comparte el premio Nobel de Química con sus colegas
John H. Northrop y James B. Sumner. Afirman que este descubrimiento constituyó
el nacimiento de la virología, también es un hito en la aproximación hacia
los ácidos nucleicos como responsables de la transmisión hereditaria.
Nuevos
descubrimientos vendrían de las investigaciones en el reino de las bacterias.
Los investigadores se proponían el desarrollo de una vacuna contra la neumonía
pero por el camino el microbiólogo británico Frederick Griffith (1881-1941) lanzó una hipótesis alarmante. Los
resultados de su investigación en 1938 sugerían
que una sustancia activa era transferida, en determinadas condiciones, desde
bacterias muertas hacia bacterias vivas modificando sus características
hereditarias.
Griffith
había caracterizado dos cepas del Streptococcus peumoniae. Una cepa que formaba
colonias lisas y presentaba de una cápsula envolvente, (la cepa S atendiendo al
inglés, smooth: lisa) desarrollaba, al ser inoculada, la enfermedad en ratones.
La segunda cepa, de colonias rugosas (cepa R) y que no exhibía cápsula circundante no causaba la neumonía. Pero al
combinar la cepa S muerta con la cepa R viva a temperaturas convenientes, e
inyectar esta mezcla, los ratones morían. De ellos podían extraerse colonias
de células de la cepa S y nuevas generaciones de tales células mantenían su
actividad.
Este fenómeno de transformación de las características hereditarias en organismos simples como las bacterias ha sido reconocido como el primer paso que dio el hombre en la senda de la Biología molecular. El investigador que abrió esta nueva era murió en su laboratorio, víctima de los bombardeos que sufrió Londres por la Alemania hitleriana una noche de 1941, cuando no acudió al llamado de la sirena de alarma área, acaso inmerso en su trabajo. De esta manera la Guerra le impidió ver y contribuir al desarrollo de los nuevos resultados que emergieron como consecuencias de su principio transformante de los neumococos.
Tratar
de identificar la sustancia transformadora propuesta por Griffith parecía el
siguiente desafío que deberían encarar los investigadores. Durante la década
de 1940, el inmunoquímico estadounidense Oswald Theodore Avery (1877-1955), junto con sus colegas Colin M. MacLeod
(1909-1972) y Maclyn McCarty (1911-2005) en el Instituto Rockefeller de
Investigación Médica, llevaron a cabo los experimentos que demostraron que era el ADN, y no otras posibles sustancias como el ácido
ribonucleico (ARN) o las proteínas, el que transmitía las características de
una cepa bacteriana a otra.
Apreciemos
en apretadas líneas como Avery y sus colaboradores abordan el problema.
Mediante el empleo de las refinadas técnicas preparativas desarrolladas por
Colin M. MacLeod fue posible aislar el principio transformante biológicamente
activo de muestras de pneumococos. A continuación se trató el factor transformante aislado con
proteasas, aquellas enzimas
que desnaturalizan las proteínas, y luego con lipasas, para destruir los lípidos, sin que resultara inactivado. El análisis
demostraba que el factor era rico
en ácidos nucleicos pero el tratamiento con la ribonucleasa, enzima destructora
de los ácidos ribonucleicos tampoco producía su inactivación. Si se tratara
de un carbohidrato como el material capsular polisacárido entonces no
precipitaría en alcohol como lo hace el factor transformante. El alcohol era un
reconocido precipitante del ADN, lo que unido a que daba positivo el ensayo de
Dische para el ADN, y que la sustancia transformante tenía un muy alto peso
molecular como correspondía al ADN, eran pruebas irrefutables de que el ADN era
el responsable de producir los cambios permanentes hereditables.
Simultáneamente
con los esfuerzos por descubrir la identidad de la sustancia responsable de la
herencia, corrían los estudios químicos por revelar la constitución del ácido
desoxirribonucleico.
En 1942, estudiando las cuatro bases químicas del ácido desoxirribonucleico (ADN) —adenina, guanina, timina y citosina—, Alexander Robertus Todd (1907-1997), químico escocés, galardonado con el Premio Nobel de Química en 1957, encabezó el equipo que definió el modo en que las moléculas del azúcar y los grupos fosfato actúan con estas bases para formar nucleótidos, componentes básicos del ADN. A partir de los experimentos de Todd se sabe que cada nucleótido consta de tres partes: un azúcar llamado desoxirribosa, un grupo fosfato y una de cuatro posibles bases: adenina, timina, guanina o citosina; está el terreno abonado para la identificación eventual de la estructura del ADN.
Cuando
en 1946, el bioquímico estadounidense de origen checo Erwin Chargaff (1905-
2002) descubrió que el número de unidades de adenina era igual al número de
unidades de timina y que el número de unidades de guanina era igual al numero
de unidades de citosina estaba fundamentando el llamado principio de
complementariedad de las bases que
iluminara el descubrimiento de la estructura tridimensional del ADN. El propio
Chargaff se encargó de explicar los condicionantes instrumentales que
permitieron su trascendental hallazgo: la introducción de la cromatografía de
papel para la separación de aminoácidos, la producción comercial de
excelentes espectrofotómetros, y
la posesión por las purinas y las pirimidinas de espectros de absorción específicos
y característicos en la región del ultravioleta.
La
evidencia experimental aportada por Avery y colaboradores identificando el ADN
como el principio transformante no fue suficiente para convencer a la comunidad
científica de que los genes eran ADN y no proteínas. Tuvieron que pasar ocho años
más hasta que Alfred D. Hershey (1908 – 1997) y Martha Chase (1928 – 2003)
en 1952, utilizando bacteriófagos marcados con los isótopos radioactivos S-35
o P-32 (el azufre como elemento químico propio de las proteínas y el fósforo
del ADN) demostraron que en el proceso de infección solamente penetraba en la célula
bacteriana el ADN viral y puesto que en la misma se producía la formación de
partículas virales era una evidencia irrefutable de que el ADN viral llevaba la
información genética responsable de la síntesis de los compuestos proteicos
que constituyen la cápside del virus. Es decir, los genes son ADN. A partir de
este experimento la comunidad científica abandonó definitivamente su postura
en favor de las proteínas y tuvo que valorar positivamente los datos
experimentales que ocho años antes habían obtenido Avery, MacLeod y McCarty.
En 1969, Hershey compartió el premio Nobel de Fisiología y Medicina con Salvador E. Luria (1912- 1991) y
Max Delbrück (1906 -1987) “por sus descubrimientos en relación con el
mecanismo de replicación y estructura genética de los virus”.
Una
vez aceptado el significado genético del ADN, el paso obligado siguiente era
determinar la estructura que explicara las propiedades mágicas de la replicación
y la mutación. Los nombres de dos científicos británicos y un estadounidense
se enlazan en el trascendental descubrimiento de la estructura de doble hélice
del ácido desoxirribonucleico. Sin embargo son muchos los que reclaman un
merecido espacio a un nombre de mujer:
la prematuramente desaparecida Rosalind Franklin.
El
físico británico Francis H. C. Cricks (1916- ) y el bioquímico estadounidense James D. Watson (1928- ) coincidieron
en los primeros años de los cincuenta en el Laboratorio Cavendish de Cambridge.
Contaban en el arsenal de antecedentes con el descubrimiento del principio de
complementariedad de las bases nitrogenadas experimentalmente establecido por el
químico checo Erwin Chargaff (1905- 2002), los modelos de estructura helicoidal
propuestos para las proteínas por Linus Pauling (1901 – 1994), y las imágenes
de los espectros de difracción de rayos X obtenidos por Maurice Wilkins
(1916-), y sobre todo por la química – física Rosalind Franklin (1920 –
1958).
La integración de estas fuentes con una imaginación creativa desbordante lo llevaron a publicar en 1953 dos artículos en par de meses. El primer artículo de algo más de una página fue publicado por la revista “Nature” en la que describían el modelo estructural de la doble hélice y luego un segundo “Implicaciones genéticas de la estructura del ácido desoxirribonucleico” en el que justifican cómo el modelo propuesto es capaz de explicar dos propiedades fundamentales del material hereditario: la de conservarse a sí mismo (replicación) y la de cambiar (mutación) [20]. En 1962 Crick, Watson y Wilkins compartieron el premio Nobel de Fisiología y Medicina. La evolución de los acontecimientos luego de sus publicaciones ratifica la importancia de la teoría para alumbrar la práctica. Se tornaba más claro y firme el despegue de la ingeniería genética.
Una
vez
demostrado que el ácido
desoxiribonucleico (ADN) y el ácido
ribonucleico (ARN) eran piezas claves en la información genética y en el
control de la síntesis de proteínas.
Una pregunta se
levantaba en los laboratorios de investigación.¿Podrían ser sintetizados los ácidos
nucleicos con ayuda de las enzimas correspondientes de acción
in vitro?
El bioquímico español Severo Ochoa (1905-1993) dio el primer paso hacia el
camino de sintetizar in vitro un ácido nucleico cuando logra aislar la
polinucleotidofosforilasa, enzima capaz de sintetizar ácidos ribonucleicos y
poco después consigue en 1955 por vez primera en la historia la síntesis de un
ácido nucleico.
Arthur Kornberg (1918- ), bioquímico estadounidense que fuera discípulo de Ochoa en la Universidad de Nueva York, investiga en la Universidad Washington la manera de sintetizar una forma artificial de ADN en el laboratorio y lo consigue en 1956 pero resulta biológicamente inactivo.
Cuatro
años después del descubrimiento de Ochoa, en 1959, dos científicos
estadounidenses, Stanford Moore (1913 – 1982) y William H.
Stein (1911-1980), se encuentran enfrascados en el análisis de una enzima que
lejos de promover la construcción de una cadena de polinucleótido provocaba la
fragmentación de los ácidos nucleicos. Para lograr este propósito
debieron desarrollar un método rápido y eficaz para identificar cada uno de los 20 aminoácidos que componen las proteínas
y perfeccionar la técnica de purificación de estas sustancias, aplicando estas
innovaciones a la enzima ribonucleasa. Así descubren la composición exacta de las 124 unidades de aminoácidos
que componen una molécula de ribonucleasa.
Una década después del primer intento de Kornberg y a un tiempo similar del análisis de la ribonucleasa por Moore y Stein, se gestan dos actos sintéticos que parecían imposibles: en Stanford un equipo dirigido por el propio Kornberg logra la síntesis del ADN en estado biológicamente activo mientras en la Universidad de Rockefeller se desarrolla la obtención de la enzima ribonucleasa, encargada de cortar cadenas del ácido ribonucleico.
Para cumplir tales empresa Kornberg debió aislar y purificar una enzima conocida como DNA polimerasa que en combinación con ciertos bloques de nucleótidos producía en un tubo de ensayos precisas réplicas de cortas moléculas de DNA conocidas como primarias.
La creatividad de Robert Bruce Merifield (1921 -
) y su equipo se
puso a prueba ante el desafío de diseñar y construir una máquina que
realizara la síntesis de péptidos automáticamente. No puede hoy concebirse el
desarrollo de las nuevas rutas sintéticas que se abrieron paso a continuación
para obtener complejos materiales proteicos como anticuerpos y vacunas sintéticas
sin los descubrimientos de Merrifield.
Entre
1960 y 1966, tienen lugar las investigaciones que descifran el código genético
que utilizan todas las células vivas para traducir la serie de bases de su ADN
en instrucciones para la producción de proteínas.
Una posición relevante en estas investigaciones ocupan los trabajos del químico hindú Har Gobind Korana (1922- ). Sus estudios contribuyeron a comprender que el código genético viene determinado por el orden que ocupan las bases adenina, timina, guanina y citosina en la escalera de ADN. Por lo general, cada sección de esta escalera tiene una secuencia única de pares de bases. Como un gen no es más que una de estas secciones, posee también una secuencia única, que puede utilizarse para diferenciar unos genes de otros y fijar su posición en el cromosoma. Recibió en 1968, junto a los bioquímicos estadounidenses Robert Holley (1922-1983) y Marshall Nirenberg (1927- ) el premio Nobel de Fisiología y Medicina por sus estudios independientes sobre el código genético. Dos años después Khorana y su equipo lograron otro descubrimiento trascendental: por primera vez sintetizaron una copia totalmente artificial de un gen de levadura.
Al tiempo que se producían notables hallazgos en materia de síntesis y análisis de enzimas muy complejas, vinculadas con la obtención y destrucción de los ácidos nucleicos, se iban descubriendo nuevas enzimas cuya acción conmovían los mecanismos de transmisión de la información hereditaria inicialmente descritos. Tales nuevas nociones se incubaban por los años 60, en el Instituto Salk de Estudios Biológicos, cuando el italiano Renato Dulbecco (1914- ) formado en la Escuela de Medicina de Turín, investigaba los métodos para diferenciar las células normales de las células infectadas por virus cancerígenos. Al Instituto Salk llegó en 1964 y trabajó con Dulbecco, el químico, que se había doctorado en estudios biológicos en la Universidad de Rockefeller, David Baltimore (1938- ).
Cuatro
años más tarde en el Instituto Tecnológico de Massachussets, Baltimore se
encontraba investigando la actividad viral que provoca una leucemia del ratón,
cuando descubrió una enzima producida por el virus que invertía el mecanismo
reconocido después de la descripción del modelo de Crick y Watson. Ahora el
ARN viral, con ayuda de la enzima, modificaba los genes del ADN. Se estaba
asistiendo a una transcripción “a la inversa”.
Casi paralelamente con los resultado de Baltimore, el profesor de Oncología en la Universidad de Wisconsin, Howard Martin Temin (1934 – 1994) descubrió una enzima similar en el virus del sarcoma de Rous. Temin denominó a esta enzima ADN polimerasa-ARN dirigida. Con el tiempo se fue admitiendo un nombre más sintético y acaso más ilustrativo: la transcriptasa inversa.
Los retrovirus han recibido este especial bautizo atendiendo a que transmiten su información genética vía ARN viral – ADN de la célula hospedera gracias a esta actividad enzimática. Un ejemplo de retrovirus que ha causado una verdadera tragedia en el siglo XX es el conocido por las siglas VIH, el virus de la inmunodeficiencia humana promotor del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Buena parte de las terapias desarrolladas contra el SIDA se basan en los descubrimientos de Baltimore y Temin, y pretenden de alguna forma inactivar la capacidad de la enzima transcriptasa del VIH.
También se ha descubierto que los llamados retrovirus oncogénicos inactivan el gen responsable del control al nivel celular de su multiplicación, transformando con la ayuda de la enzima transcriptasa inversa correspondiente la célula normal en una cancerígena. El descubrimiento de la transcriptasa inversa arrojó luz sobre el mecanismo de esta conversión que es responsable de la reproducción de las células tumorales. Por las sobresalientes aportaciones sobre la relación entre la composición genética de la célula y los tumores causados por virus, Dulbecco, Temin y Baltimore compartieron el premio Nobel de 1975.
Pero
la verdadera revolución que haría aparecer las formaciones híbridas y las
replicaciones genéticas estaría relacionada con el descubrimiento de nuevas
enzimas, las enzimas de restricción, que identifican determinadas
secuencias específicas de ADN y las “cortan” produciendo fragmentos
complementarios o fragmentos con extremos que se acoplan aunque pertenezcan a
dos organismos diferentes dio luz verde a la construcción de una molécula de
ADN híbrida.
Pionero en los estudios del mecanismo defensivo antiviral al nivel enzimático fue Werner Arber (1929- ), quién a principios de la década de 1960, trabajando en la Universidad de Ginebra, Suiza, descubrió que las bacterias agredidas por virus invasores liberan determinadas enzimas (llamadas enzimas de restricción) que los inactivan al cortar por determinados genes las secuencias de sus ADN. Simultáneamente con este ataque molecular la bacteria libera otra enzima que al modificar químicamente las bases de la secuencia de su propio ADN, evita que la enzima de restricción las identifique y corte produciendo su autodestrucción. Este proceso en dos pasos se denomina “sistema controlado de restricción-modificación” del hospedador.
El
biólogo molecular estadounidense Hamilton O. Smith (1931- ) sumaría un
descubrimiento trascendental cuando
identificó y purificó una enzima de restricción que cortaba por sitios específicos
las cadenas del ADN. La aplicación de estas enzimas abrió las puertas al análisis
del ADN y a la inserción de diferentes fragmentos en el ADN, permitiendo así la creación de genes nuevos o
recombinantes.
Las
enormes potencialidades del empleo de las enzimas de restricción quedaron
demostradas por el colega de Smith, Daniel Nathans en la Universidad Johns
Hopkins. Nathans logró reducir el ADN del virus SV40 (que induce la formación
de tumores cancerosos en los simios) a once piezas, describió sus genes específicos
y lo que es más importante las funciones que cubren. Este fue el primer mapa
detallado de los genes de una molécula de ADN. Por las excepcionales
contribuciones al nacimiento de las técnicas de la ingeniería genética Arber,
Smith y Nathans recibieron el
premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1978.
El
siguiente paso fue dado por el biólogo molecular estadounidense Paul Berg (1926-
) y este paso tuvo una excepcional resonancia en el nacimiento de una nueva
tecnología: la ingeniería genética o del ADN recombinante.
Los
genes correspondientes al virus SV40 habían sido mapeados por Nathans y se
conocía su capacidad de producir una multiplicación acelerada de las células
infestadas. Si lograba la inserción de determinados genes del ADN de este virus
en el ADN de un virus bacteriano llamado lambda obtendría una molécula de ADN híbrida que debía expresar una combinación
de las propiedades según los genes aportados.
Cumplir los propósitos de Berg parecía derribar las barreras naturales de la herencia y exigía, entre otras determinantes, el aislamiento y empleo de las enzimas que promovieran la combinación genética de las moléculas diferentes ADN. El equipo del Departamento de Microbiología de la Universidad de Stanford que dirigió Paul Berg fue el primero que descubrió las enzimas “ligasas” y condujo con éxito sus ideas de recombinación al combinar el ADN de dos organismos diferentes para componer un híbrido bautizado como ADN recombinante. Por este descubrimiento que inició una nueva y desafiante era, Berg mereció de forma compartida el Premio Nobel en Química de 1980.
El
asalto posterior se dirigía hacia la estructura interna de los genes y exigía
el desarrollo de nuevos métodos que permitieran el análisis de la secuencia en
que se "alojaban" las bases nitrogenadas en el polinucleótido. Una aportación
significativa en esta dirección fue hecha a mediados de los setenta por el
biofísico Walter Gilbert (1932- )
y el bioquímico Frederick Sanger (1918- ). Ellos enfrentaron de manera independiente el problema de
desarrollar un método de secuenciación, es decir, determinar la secuencia
exacta de las bases púricas y pirimidínicas en el ADN.
Gilbert no sólo encontró las sustancias que rompen selectivamente el enlace nucleótido de acuerdo con la base que porta sino también ideó el método de separar por cromatografía de filtración por gel los fragmentos del ADN que iba obteniendo para luego obtener sus imágenes en el material adecuado. Así se consiguió un mapa completo del orden de las bases de la cadena original de ADN.
Sanger
y Gilbert merecieron el premio Nobel de Química en1980, para Sanger fue el
segundo premio Nobel en Química, el primero en 1958 le fue conferido por sus
trabajos en la síntesis de la primera proteína obtenida en el laboratorio, la
insulina.
Cuando
en los años cincuenta los químicos investigaban la polimerización en cadena
de sustancias simples derivadas del petróleo con el empleo de
“iniciadores”, nadie podía imaginar que a la vuelta de unas décadas una
enzima, desencadenara un mecanismo de replicación consecutiva de los biopolímeros
responsables del código genético.
Prácticamente
revolucionó la medicina forense encargada de las investigaciones de los crímenes,
pues ahora una huella imperceptible del asesino expresada en fragmentos de su
ADN presente en su victima o en la escena del crimen, se convierte en una prueba
irrefutable de la comisión del delito.
La
RCP se convirtió en herramienta inestimable en las investigaciones sobre la
evolución de las especies. Imaginen, un insecto prehistórico, lo cual no es un
ejemplo hipotético sino un hallazgo de los entomólogos, atrapado por esa
resina fósil que es el ámbar. Basta que conserve vestigios de su ADN para que
con ayuda de la RCP pueda este copiarse una y otra vez para efectuar los
estudios comparativos con las especies actuales.
En
materia de medicina, la RCP simplificó los demorados análisis bioquímicos
para el diagnóstico prenatal de enfermedades genéticas. Ahora en solo unas
horas se tiene el resultado del análisis del ADN fetal presente en el líquido
del útero materno. La técnica posibilita también el análisis de embriones
fertilizados in vitro, eliminando todo riesgo de enfermedades cuando se hace
necesario acudir a este procedimiento de concepción. Otras aplicaciones en el
análisis clínico de la RCP son la identificación de virus, bacterias y células
cancerosas en tejidos humanos.
La combinación del empleo de las enzimas de restricción para obtener genes específicos y la PCR para obtener la multiplicación de sus copias ha resultado imprescindible para avanzar en la descripción funcional de los genes. Constituyeron las premisas para el sucesivo análisis de los genes de diversas especies y también han hecho posible el mapeo genético del ADN humano.
En 1975 se demostró que las secuencias de aminoácidos de los seres humanos y los chimpancés son idénticas en un 99%. Y en 1977 se completó la primera secuenciación de un genoma completo, el de un virus bacteriófago.
James Watson encabeza, en 1988, el proyecto de secuenciar el genoma humano. Tal como él mismo lo describiría, “es un proyecto tan ambicioso como el Apolo, que llevó al hombre hasta la Luna en 1969, pero mucho más barato”. Cuando afirmamos que el Proyecto Genoma Humano representa una empresa científica sin precedentes conviene subrayar que un gen representa una sección en la escalera del ADN, identificado por el orden específico que ocupan las bases complementarias de adenina, timina, guanina y citosina. Cada gen expresa una secuencia única de pares de bases que permite diferenciarlos y determinar su posición en el cromosoma.
El proyecto se pone en marcha en 1990, año en que nace el primer mamífero transgénico: una vaca que produce proteínas de la leche materna humana. En 1994 se comercializa en California el primer alimento transgénico, resultante de la manipulación genética de plantas, el tomate que tarda más tiempo en deteriorarse. En 1995 se secuencia por primera vez el genoma de una bacteria. Tres años después el equipo del Proyecto Genoma Humano presenta un mapa que incluye 30.000 genes.
El derribo de las barreras naturales de los cruzamientos que alcanza incluso a la clase animal de mayor nivel de desarrollo, los mamíferos, augura, si estas técnicas son racionalmente empleadas, el mejoramiento de las especies, la posible utilización de los organismos como biorreactores que codifiquen la síntesis controlada de productos valiosos como enzimas, hormonas, vacunas y otros medicamentos. Estos logros que podrían parecer violatorios de una sagrada bioética permitirán entre otros progresos trascendentes en el campo de la medicina, el desarrollo de una terapia génica personalizada que ofrecerá máxima compatibilidad entre medicamento y paciente, y la utilización de animales como donantes de órganos, libres de todo mecanismo de rechazo en el individuo receptor.
La opinión pública ha expresado su inquietud por las controvertidas consecuencias éticas, jurídicas y sociales que se derivan del control genético. No sin razón crecen los sectores que se oponen a patentar para uso comercial las secuencias de genes humanos. Deben crearse los marcos legales internacionales para atar las manos a las apetencias de lucro de los monopolios transnacionales que pueden ver jugosas ganancias en turbios manejos de la información genética. En la forja de esa conciencia universal debe contribuir de manera significativa la enseñanza de las ciencias.