ADN

Conocimientos previos:

Introducción 

El ADN, o ácido desoxirribonucleico, es el material genético que se encuentra en las células de todos los organismos. Está compuesto por nucleótidos unidos entre sí (Adenina, Timina, Guanina, Citosina) (figura 1). El ordenamiento y secuencia de los nucleótidos forma un polímero de ADN de doble cadena, el cual se traduce en un ARN mensajero (ARNm), este ARN contiene la información para generar una o varias proteínas utilizando diversos ARNs como intermediarios como los ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosomales (ARNr) (figura 2). En células eucariotas la mayor parte del ADN se localiza en el núcleo que está rodeada por una bicapa lipídica. Sin embargo, una pequeña cantidad de ADN también se puede encontrar en otras estructuras celulares, como en la mitocondria en animales o cloroplastos en plantas (figura 3) (A. Checa, 2016).

Gregor Mendel: leyes de la herencia   

Antes del descubrimiento de la molécula de ADN, un monje que estudiaba diferentes aspectos de los chicharos llamado Gregor Mendel sentó las bases de las leyes de la herencia genética (Figura 4). Efectuó cruzas entre chicharos con diferentes características (color de la flor, textura de la semilla, etc) y en sus resultados pudo postular las siguentes leyes (Fraser, 2001).

Leyes de Mendel:

El trabajo de Gregor Mendel no fue reconocido cuando lo publicó y no fue sino hasta el año 1900 con los trabajos de Carl Correns, Hugo de Vries y Erich von Tschermak, que se le dio el crédito que merecía su labor y descubrimiento. Los avances científicos posteriores pusieron de manifiesto que las leyes de la herencia de Mendel constituyen una simplificación de procesos que a menudo son mucho más complejos. Sin embargo, estas leyes sirven todavía como base fundamental para la genética moderna (Dahm, 2008).

Walther Flemming realizó estudios detallados sobre la división celular en diferentes órganos y organismos, principalmente del reino animal (Paweletz, 2001). Flemming describió además la morfología y el comportamiento de los cromosomas durante la mitosis, acuñando los términos “cromatina” y “mitosis”. A finales de los años 1880 y 1890, Boveri y Walter Sutton de manera independiente comenzaron a desarrollar la teoría cromosómica el cual dicta que los cromosomas llevan material genético y son la base de la herencia mendeliana (Dahm, 2008; Ramirez, Hulston, & Kovac, 2015).

Si bien la mayoría de estos descubrimientos y conceptos fueron bien recibidos por la comunidad científica en su momento, el descubrimiento del ADN por Friedrich Miescher fue poco apreciado, ya que la gran mayoría de los científicos de la época seguían convencidos de que las proteínas por su complejidad eran las portadoras de la información genética; y no fue sino hasta el siglo XX que se comprendió el verdadero significado de sus hallazgos.

Uno de los científicos que se interesó por los trabajos de Miescher fue Albrecht Kossel un científico que trabajaba en el laboratorio de Hoppe-Seyler y que se interesó en las nucleínas como un nuevo elemento funcional de la célula. Posteriormente se hizo acreedor del Premio Nobel de Medicina en 1910 por descubrir la composición de la nucleína formado por cuatro bases nitrogenadas y moléculas de azúcar (Jones, 1953).  En 1928, se llevó a cabo uno de los primeros experimentos que demostró el ADN podría transferir la información genética en un experimento en el cual, las bacterias eran capaces de transferir información mediante un proceso llamado transformación (figura 6). Frederick Griffith, que investigaba varias cepas de neumococo (Streptococcus pneumoniae), e inyectó dos tipos diferentes de cepas de neumococo a ratones; la cepa lisa (S) virulenta y la cepa rugosa (R) no virulenta. La cepa S es dañina, ya que se recubre de una capa de polisacárido que la protege del ataque del sistema inmune, mientras que la cepa R no produce esa cápsula protectora y es derrotada por el sistema inmune (figura 6). Griffith observó que, cuando la cepa S moría por calor no afectaba al ratón, pero cuando la combinaba con la cepa R y la cepa S muerta (por calor) la cepa R era de matar a su hospedero. Griffith llegó a la conclusión de que la cepa R se había “transformado” en una cepa S virulenta por un “principio de transformación” que de algún modo las baterías de la cepa S muertas virulentas transformaban a las bacterias R.

Este estudio se reavivó hasta a mediados de la década de 1940 y principios de 1950, cuando Oswald T. Avery, Colin MacLeod y McCarthy Maclyn, y Al Hershey y Martha Chase demostraron de manera independiente que el ADN es el portador de la información genética (figura 7 y 8)  (Avery & Macleod, 1994; Hershey & Chase, 1952). Si bien la existencia del ADN se conocía desde 1869, en aquella época se creía que las proteínas eran las responsables en transmitir la información que determina la herencia. Avery, MacLeod y McCarty investigaron la naturaleza química del factor transformador, para determinar si era una proteína o un ácido nucleico. Basándose en los experimentos de Griffith, transformaron la cepa R en la cepa S incubando la cepa R viva y la S muerta por calor. Esto lo realizaron basado en un detallado y meticuloso experimento in vitro, realizando pretratamientos a los componentes celulares de la cepa S muerta por calor con diferentes enzimas que degradaban proteinas, ARN o ADN específicamente. Con estos experimentos pudieron concluir que el factor transformador era el ADN, ya que las enzimas rompieron selectivamente cada componente. En sus experimentos, Avery, MacLeod y McCarty encontraron que ni la proteasa, ni la rnasa afectaron la capacidad de la cepa S muerta por calor para transformar a la cepa R, únicamente la enzima ADNasa (figura 6).

Independientemente, Alfred Hershey y Martha Chase realizaron una serie de experimentos para confirmar si el ADN o las proteínas son el material hereditario (figura 8). Hershey y Chase insertaron elementos radiactivos en los bacteriófagos (proteínas y ADN por separado). Cuando los bacteriófagos con el ADN marcado radioactivamente infectaron a las células bacterianas, las células nuevas contenían el material radiactivo en sus estructuras. Así mismo, cuando los bacteriófagos con las proteínas marcadas radioactivamente infectaron a las células, las bacterias nuevas no estaban marcadas. Por lo tanto, el experimento Hershey-Chase, concluyó que el ADN, es el material genético hereditario.

En 1953 Watson y Crick usando los resultados de Rosalind Franklin sin su consentimiento (que estaban por publicarse) proporcionados de manera desleal por Wilkins, consiguen descifrar y dan la  primera visión “teórica” de la estructura molecular del ADN (Watson & Crick, 1953).

En el mismo volumen de la revista Nature, Rosalind Franklin y Wilkins de manera independiente reportar estructuras cristalográficas del ADN proporcionado una primera visión experimental de su estructura y aspectos de su posible función (Franklin & Gosling, 1953; Wilkins, M.H.F., Stokes A.R., Wilson H.R, 1953). Una década más tarde, Robert W. Holley, Har Gobind Khorana, Marshall W. Nirenberg, y sus colegas consiguen descifrar el código genético (para más detalles consultar Articulo de Gen) (Singer, 1968). Con esta información se cimientan las bases para la genética molecular, la biología molecular y la biotecnología, ya que esta descifrar el código permite vislumbrar como a partir de una molécula compuesta de sólo cuatro diferentes bloques de construcción (A, T, C, G) es posible la riqueza y abundancia de vida en nuestro planeta.

Tabla 1. Línea del tiempo del ADN a la secuenciación del Genoma Humano