La historia del ADN

El descubrimiento de la estructura del ADN se comunicó este mes hace 50 años. Pero la saga comenzó muchos años antes, dice Susan Aldridge

El 25 de abril de 1953 apareció en Nature un artículo que iba a transformar las ciencias de la vida, desde la bioquímica y la agricultura hasta la medicina y la genética. James Watson y Francis Crick, entonces en la Universidad de Cambridge, informaron del descubrimiento de la estructura del ADN (ácido desoxirribonucleico), la molécula de la que están hechos los genes.

Crick y Watson utilizaron la construcción de modelos para revelar la ahora famosa doble hélice del ADN, pero los datos cristalográficos de rayos X de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins en el King’s College de Londres fueron cruciales para el descubrimiento. El avance también se debió en gran medida a los progresos en las técnicas bioquímicas, la microscopía, el análisis químico y las teorías de los enlaces químicos que se habían desarrollado desde mediados del siglo XIX. La verdadera importancia de la estructura del ADN se vio subrayada por la resolución definitiva de una controversia que duró décadas sobre si el ADN o las proteínas eran la «molécula de la vida».

La saga del ADN comenzó en 1869, cuando el bioquímico suizo Friedrich Miescher aisló una nueva sustancia de los núcleos de los glóbulos blancos. Los investigadores eran conscientes desde hacía poco tiempo de que las células eran la unidad básica de la vida y Miescher se interesaba por sus componentes químicos. Todas las mañanas acudía a la clínica local para recoger vendas sucias, ya que en la época anterior a los antisépticos éstas se empapaban de pus, una buena fuente de glóbulos blancos con sus grandes núcleos. La adición de álcali hizo que los núcleos celulares se abrieran, liberando su contenido, del que Miescher extrajo el ADN (al que llamó nucleína).

El análisis de esta nucleína mostró que era un ácido, que contenía fósforo, por lo que no encajaba en ninguno de los grupos conocidos de moléculas biológicas, como los carbohidratos y las proteínas. Miescher calculó su fórmula como C29H49O22N9P3, una gran subestimación que refleja el hecho de que el ADN es una molécula larga y frágil que se fragmenta fácilmente. Miescher debió utilizar uno de los fragmentos para determinar la fórmula. La nucleína fue rebautizada como ácido nucleico y, a pesar de su novedad química, su importancia biológica no fue plenamente comprendida durante muchas décadas más.

Mientras tanto, gracias a los avances de la microscopía, la célula seguía revelando sus secretos. En 1879, el biólogo alemán Walther Flemming descubrió en el núcleo unas diminutas estructuras en forma de hilo denominadas cromatina (más tarde conocidas como cromosomas), llamadas así porque absorbían fácilmente el color de las nuevas tinciones utilizadas para revelar los componentes celulares. Los estudios sobre la división celular iban a revelar el papel clave que desempeñan los cromosomas en la herencia: cómo se duplican antes de que la célula se divida, y luego se dividen en dos conjuntos, llevando una nueva copia a cada célula «hija».

Los análisis posteriores sugirieron que los cromosomas contenían ADN, lo que llevó a otro investigador alemán, Oskar Hertwig, a declarar que «la nucleína es la sustancia responsable… de la transmisión de las características hereditarias». No todo el mundo estaba de acuerdo: Miescher, por ejemplo. Los cromosomas también contenían proteínas, y los bioquímicos empezaban a darse cuenta de que las proteínas eran moléculas grandes y complejas. La fragilidad del ADN iba a ocultar su complejidad subyacente durante muchos años más.

Posiblemente, Miescher fue el primero en proponer la idea de un código químico que transmitiera la información biológica de una célula a otra, pero él, como muchos otros después de él, creía que sólo las proteínas eran capaces de transportar dicho código.

En 1900 se sabía que los componentes básicos del ADN eran el fosfato, un azúcar (que más tarde se demostró que era desoxirribosa) y cuatro bases heterocíclicas, dos de las cuales eran purinas y las otras dos eran pirimidinas.

Fue Phoebus Levene, del Instituto Rockefeller de Nueva York, y antiguo alumno del químico y compositor ruso Alexander Borodin, quien demostró que los componentes del ADN estaban unidos en el orden fosfato-azúcar-base. Llamó a cada una de estas unidades un nucleótido, argumentando que la molécula de ADN consistía en una cadena de unidades de nucleótidos unidas entre sí a través de los grupos fosfato, que son la «columna vertebral» de la molécula.

Pero nadie apreció la extraordinaria longitud de la molécula de ADN hasta bien entrado el siglo XX. Ahora sabemos que el ADN de una célula humana, si se colocara de punta a punta, formaría una molécula de aproximadamente 1 m de longitud. Incluso un organismo sencillo como la bacteria E. coli tiene una molécula de ADN de poco más de 1 mm de longitud. Miescher no se había dado cuenta de esto, por supuesto, y tampoco lo hizo Levene, que insistió en que el ADN era una molécula relativamente pequeña, probablemente de unos 10 nucleótidos.

Levene también estaba convencido de que las cantidades de las cuatro bases eran las mismas en todas las moléculas de ADN, fuera cual fuera su origen. Por eso, incluso cuando los investigadores suecos Torbj?rn Caspersson y Einar Hammersten demostraron, en la década de 1930, que el ADN era un polímero, la mayoría de la gente siguió creyendo en la «hipótesis de los tetranucleótidos» de Levene. Aunque el ADN contuviera millones de nucleótidos, se pensaba que estaban dispuestos de una forma monótona y predecible que no podía tener ningún contenido informativo significativo. El contemporáneo de Levene, el gran químico alemán Emil Fischer, había demostrado que las proteínas están formadas por aminoácidos, unidos en diversas secuencias. Cada vez parecía más que las proteínas llevaban el código genético, mientras que el ADN desempeñaba un papel de apoyo en los cromosomas.

Un gran avance vino de la mano de Oswald Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty, un equipo de microbiólogos médicos del Instituto Rockefeller de Nueva York. Intentaban identificar la naturaleza del «principio transformador», una sustancia descubierta por el microbiólogo inglés Fred Griffith en 1928. Griffith había estado experimentando con dos especies de neumococo, la bacteria que causa la neumonía (muy temida en la época anterior a los antibióticos).

Se sabía que una forma -conocida como la forma lisa por su aspecto cuando se cultivaba en placas de Petri- era patógena, mientras que la segunda, la forma «rugosa», era inofensiva. Para su sorpresa, Griffith descubrió que la mezcla de bacterias rugosas vivas con neumococos lisos muertos podía transformar los neumococos rugosos en una forma lisa virulenta. Evidentemente, alguna sustancia -el principio transformador (los genes, en otras palabras)- había pasado de las bacterias lisas a las rugosas. Utilizando enzimas que descomponían componentes celulares específicos, Avery y su equipo demostraron por un proceso de eliminación que el ADN, y no las proteínas, era el principio transformador.

Los físicos también habían contribuido a este debate; por ejemplo, Erwin Schrödinger propuso el concepto de «cristal aperiódico» en su influyente libro ¿Qué es la vida? Los cristales simples, como el cloruro de sodio, no pueden transportar información genética porque sus iones están dispuestos en un patrón periódico. Lo que Schr?dinger proponía era que el «plano» de la vida se encontraría en un compuesto cuyos componentes estuvieran dispuestos en una larga secuencia irregular, que llevara información en forma de código genético, incrustado en su estructura química. Las proteínas habían sido el candidato obvio para el cristal aperiódico, con la secuencia de aminoácidos proporcionando el código. Ahora, con los descubrimientos de Avery, la atención se centró en el ADN como una opción alternativa para el material genético.

La investigación para determinar la estructura del ADN adquirió una urgencia añadida (aunque la confirmación final de su papel central aún estaba por llegar, a partir de los experimentos llevados a cabo por Alfred Hershey y Martha Chase en Estados Unidos a principios de la década de 1950). El químico austriaco Erwin Chargaff, por ejemplo, quedó profundamente impresionado por el trabajo de Avery. Escribió: «Vi ante mí, en oscuros contornos, el comienzo de una gramática de la biología. Avery nos dio el primer texto de un nuevo lenguaje, o más bien nos mostró dónde buscarlo. Me propuse buscar ese texto». Chargaff fue el pionero de la cromatografía en papel de los ácidos nucleicos, con la que pudo determinar la cantidad de cada uno de los nucleótidos que componen una muestra de ADN. Rápidamente echó por tierra la hipótesis de los tetranucleótidos de Levene. Cada especie difiere en la cantidad de A, C, G y T, pero dentro de la especie, las proporciones de cada uno son idénticas, independientemente del tejido del que se extraiga el ADN. Era justo lo que cabía esperar para una molécula que es la firma biológica de la especie.

Aún más significativo fue el descubrimiento de Chargaff de que la proporción de A en cualquier molécula de ADN era siempre igual a la proporción de T y, del mismo modo, la cantidad de G y C siempre se correspondía – una regla que se conoció como las proporciones de Chargaff. Aunque el propio Chargaff parece haber hecho poco uso directo de sus descubrimientos, la idea del emparejamiento de bases (A con T, C con G) iba a ser un paso crucial para reconstruir la estructura tridimensional del ADN.

La fase final de la resolución del rompecabezas de la estructura del ADN se basó en la cristalografía de rayos X. El uso de los rayos X para resolver las estructuras de las grandes moléculas biológicas comenzó con los trabajos de Dorothy Hodgkin sobre la penicilina, la lisosima y la vitamina B12, y con los trabajos de Max Perutz sobre la hemoglobina de la década de 1930. En 1938, William Astbury, alumno de William Bragg (que, junto con su hijo Lawrence, había inventado la técnica en 1913) tenía imágenes de rayos X del ADN, pero eran difíciles de interpretar.

A finales de la década de 1940, tres grupos distintos trabajaron intensamente en la estructura del ADN. En el King’s College de Londres, Maurice Wilkins estaba intrigado por las largas fibras que forma el ADN cuando se extrae de soluciones acuosas con una varilla de vidrio, y se preguntaba si esto significaba que había alguna regularidad en su estructura. Produjo más imágenes de rayos X, utilizando aparatos improvisados difíciles de imaginar hoy en día. En 1951, se unió a Wilkins Rosalind Franklin, una química física británica que ya gozaba de reputación internacional por su trabajo sobre la cristalografía de rayos X de los carbones. Se puso a construir un laboratorio de rayos X en King’s y pronto produjo las mejores imágenes del ADN. Esto la llevó a la idea de que tal vez la molécula de ADN estaba enrollada en una forma helicoidal.

Linus Pauling, el químico estadounidense, y autor de La naturaleza del enlace químico, comenzó a pensar de forma similar. Después de todo, Pauling ya había descubierto motivos helicoidales en las estructuras de las proteínas. Por esa época, Francis Crick -con formación en matemáticas y física- y el más joven James Watson, con experiencia en la biología molecular de los fagos (virus que infectan a las bacterias, utilizados entonces como herramienta de laboratorio para los estudios genéticos), unieron sus fuerzas en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, con la intención de descifrar ellos mismos la estructura del ADN, utilizando un enfoque de construcción de modelos.

Tenían la idea de que la estructura del ADN tenía que permitir que la molécula se copiara a sí misma durante la división celular, de modo que una réplica exacta de su código -que, de nuevo, estaba incrustado en la estructura- pudiera pasar a cada nueva célula. Una visita de Chargaff al Cavendish en 1952 hizo pensar que tal vez la secuencia de bases podría representar los genes en un código químico. Mientras tanto, Pauling publicó un artículo sobre la estructura del ADN, pero contenía un gran error (puso los grupos fosfato en el interior). La entrada de este gigante científico en la carrera espoleó a Crick y Watson a realizar mayores esfuerzos, mientras que Wilkins y Franklin no se llevaban muy bien y avanzaban poco con el ADN.

Un momento seminal se produjo cuando Wilkins mostró a Watson una de las fotos de Franklin de la llamada forma B del ADN. Los estudios anteriores habían utilizado la forma A, que contiene menos agua y había dado lugar a imágenes difíciles de analizar. Esta imagen, por el contrario, era maravillosamente sencilla y parecía apuntar claramente a una estructura helicoidal de la molécula. Como dice Watson en sus famosas memorias: «En el momento en que vi la imagen, me quedé con la boca abierta y se me aceleró el corazón».

La construcción del modelo -utilizando placas de metal para los nucleótidos y varillas para los enlaces entre ellos- comenzó ahora en serio. Pero Crick y Watson no sabían si construir su hélice con los fosfatos dentro o fuera, y no estaban seguros de cómo incorporar las ideas de Chargaff sobre el emparejamiento de bases.

La pista final vino de otro visitante del Cavendish, el químico estadounidense Jerry Donohue, que señaló cómo el enlace de hidrógeno permite que la A se una a la T y la C a la G. Esto permite una estructura de doble hélice para el ADN, en la que las dos hebras tienen las bases en el interior, emparejadas, y los fosfatos en el exterior.

La verdadera belleza del modelo que construyeron Crick y Watson era que la estructura sugería inmediatamente la función. Como insinuaron, en su artículo de Nature: ‘No se nos ha escapado que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere un posible mecanismo de copia del material genético’.

La molécula de ADN se autorreplica (como se demostró mediante experimentos unos años más tarde) porque puede desenrollarse en dos cadenas simples. Cada base atrae entonces a su base complementaria, por enlace de hidrógeno, de modo que se ensamblan dos nuevas dobles hélices.

Franklin y Wilkins no perdieron por completo el mérito de la estructura del ADN; sus propios artículos se publicaron junto con los de Crick y Watson en el mismo número de Nature. Crick, Watson y Wilkins ganaron el premio Nobel por su trabajo en 1962 (Franklin murió de cáncer a los 37 años en 1958).

El descubrimiento de la estructura del ADN fue el inicio de una nueva era en la biología, que llevó, en las dos décadas siguientes, a descifrar el código genético y a comprender que el ADN dirige la síntesis de las proteínas. También hubo avances técnicos, como la secuenciación del ADN, la ingeniería genética y la clonación de genes. Más recientemente, se han resuelto las secuencias completas de muchos organismos, incluido el genoma humano en junio de 2000. Los próximos 50 años de la historia del ADN consistirán en hacer realidad los beneficios prácticos del descubrimiento de Crick y Watson para la humanidad: en la industria, la medicina, la alimentación y la agricultura.

Fuente: Chemistry in Britain

Agradecimientos

Susan Aldridge

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