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La herencia radica en el ADN


Las observaciones del proceso de meiosis permitieron explicar que los patrones hereditarios de Mendel estaban vinculados a la segregación de los cromosomas durante ese proceso, y por más de medio siglo los biólogos han trabajado para desentrañar la conexión entre los rasgos que se heredan y los cromosomas. Hoy sabemos que la información hereditaria se almacena dentro de la célula en el ácido desoxirribonucleico denominado comúnmente por las siglas ADN, pero el camino hasta ello no fue fácil, y estuvo matizado por una brillante cadena de experimentos que fueron arrojando luz sobre el mecanismo molecular de la herencia y que describiremos en este artículo.

Como sucede en la mayoría de los procesos que conducen a los grandes descubrimientos científicos, el caso de la determinación de que el ADN era la reserva hereditaria de los organismos vivos fue el resultado de diversas corrientes investigativas paralelas. Al atar los cabos incluidos en los resultados de los diferentes experimentos realizados en estas corrientes se fue poco a poco despejando el camino a una comprensión más clara de la herencia y sus implicaciones.

Son tres las corrientes investigativas principales, las que desarrolladas paralelas convergen y definen el inequívoco resultado de que el ADN es el material hereditario de la vida.

1.- Descubrimiento y caracterización del ADN.

2.- Experimentos dirigidos a la determinación del lugar donde la célula almacena las instrucciones genéticas.

3.- Experimentos que conducen al hecho de que el ADN es el principio activo de la herencia.

Se descubre y caracteriza el ADN

Tan temprano como en 1869, unos cuatro años después de que los experimentos de Mendel fueran publicados, el químico alemán Friedrich Miescher extrae una sustancia blanca del núcleo de células humanas y de los espermatozoides de peces. La sustancia en cuestión contenía una proporción de nitrógeno y fósforo presente en las células diferente a la de cualquier otro tipo de sustancia biológica conocida hasta el momento, por lo que se convence de que había descubierto una sustancia biológica nueva. La llamó nucleína ya que le parecía que estaba asociada con el núcleo de la célula.

Debido a que la nucleína de Miescher era ligeramente ácida se le comenzó a llamar ácido nucleico. Los biólogos de la época no repararon en mucho en el tal ácido nucleico ya que no se le conocía función biológica alguna en la célula, y por ello estuvo casi abandonado investigativamente durante 50 años.


Para 1920 el bioquímico P. A. Levene estudia el ácido nucleico y determina su estructura básica. Levene encuentra que la molécula contiene tres componentes básicos:

1.- Un azúcar de cinco carbonos que identifica como desoxirribosa.

2.- Un grupo fosfato, PO4.

3.- Una base nitrogenada.

Las bases nitrogenadas pueden ser una purina (adenina, simbolizada como A, y guanina, simbolizada como G); o una pirimidina (timina, T, y citocina, C). Partiendo de que tenían aproximadamente la misma proporción de esos componentes, Levene concluye acertadamente que la molécula del ácido nucleico (denominado ácido desoxirribonucleico o ADN) estaba formada por unidades repetitivas de esos tres componentes. Cada unidad, formada por un azúcar enlazada a un grupo fosfato y a una base se le llamó nucleótido. La naturaleza de la base diferenciaba unos nucleótidos de otros.

Determinación del lugar donde la célula guarda la información genética

La segunda corriente investigativa paralela se dirige a despejar el misterio del lugar de la célula que contiene las instrucciones genéticas y en este sentido se desarrollan distinguidos experimentos.

Experimento de Hammerling

Probablemente la pregunta básica más importante que se hicieron los biólogos sobre la herencia es ¿dónde la célula guarda la información genética? El biólogo danés Joachim Hammerling, que trabajaba en el Instituto Max Planck en Berlín realizó un importante experimento en 1930 en busca de la respuesta.

figura 1
Figura 1. Acetabularias de Hammerling


Hammerling pensó que si cortaba células en partes y luego observaba las partes, podía averiguar cual de estas tenía la capacidad de expresar la información hereditaria. Pero las células usualmente son muy pequeñas así que se debía escoger una de suficiente tamaño como para poder cortarla en pedazos distinguibles unos de otros y además observables. Escoge finalmente como su organismo modelo el alga verde Acetabularia que es unicelular y puede crecer hasta 5 cm. La forma de la célula Acetabularia recuerda una seta con tres zonas fácilmente distinguibles en su cuerpo: un pie, un tallo y un gorro o capuchón. El núcleo está ubicado en el pie.

Para comenzar su experimentación lo primero que hace Hammerling es amputar el capuchón de varias células y el pie de otras y observó lo siguiente:

1.- Cuando amputa el capuchón este se regenera partiendo de la porción restante de la célula (pie y tallo).

2.- Cuando amputa el pie no se regenera un nuevo pie partiendo de la porción restante de la célula (tallo y capuchón).

De este experimento preliminar Hammerling sostiene la hipótesis de que la información genética esta contenida en el pie de la Acetabularia. Para comprobar su hipótesis, selecciona dos individuos pertenecientes a diferentes especies del género Acetabularia entre los cuales hay una notable diferencia en la forma del capuchón. Uno es A. mediterranea con el capuchón en forma de disco y el otro es A. crenulata cuyo capuchón es ramificado recordando una flor (figura 1).

Hammerling injerta un tallo de A. crenulata en el pie de la A. mediterranea y el capuchón que se regenera se parece al de la A. crenulata pero no es del todo igual. Luego corta el capuchón regenerado y encuentra que el que se vuelve a regenerar es exactamente igual al capuchón original de la A. mediterranea a la que pertenece el pie. Esto mismo sucede si se hacen nuevos cortes al capuchón, siempre se regenera el capuchón "legítimo" y se olvida el primer capuchón intermedio entre ambas formas. Los resultados de esta segunda etapa del experimento soportan la hipótesis de Hammerling de que las instrucciones que definen el tipo de capuchón están almacenadas en el pie y "corren" a través del tallo hasta el capuchón.

El fenómeno del primer capuchón de forma intermedia Hammerling lo explica partiendo de la suposición de que las instrucciones que definen el tipo de capuchón de la A. crenulata ya estaban "en camino" por dentro del tallo a la hora del corte y del trasplante, y que luego el resto de los capuchones se fabricaron con las instrucciones "frescas" procedentes del pie de la A. mediterranea al agotarse las de la A. crenulata que estaban en el tallo. Hoy sabemos que tenía toda la razón, ya que las instrucciones genéticas suben del núcleo en el pie a través del tallo para desarrollar  el gorro por la vía de ARNm (ácido ribonucleico mensajero).

Debido a que el núcleo de la célula Acetabularia está en el pie, y que los experimentos de Hammerling sugerían que el almacén de la información genética está también en el pie hizo sospechar que el núcleo era clave en ese asunto e inspiró a otros investigadores a comprobar esta segunda hipótesis.

Experimento de Briggs y King


Un experimento para demostrar la hipótesis de que el núcleo era el que atesoraba las instrucciones genéticas fue llevado a cabo en 1952 por Robert Briggs y Thomas King. Estos embriólogos prepararon una pipeta de vidrio con el extremo sumamente aguzado y con la ayuda de un microscopio extrajeron el núcleo de un huevo de rana. Esto produjo el primer resultado: el huevo no se desarrolló. Sin embargo, cuando sustituían el núcleo por otro extraído de otra célula embrionaria en estado más avanzado se completaba el desarrollo hasta la rana adulta. Resultaba evidente, el núcleo era el que dirigía el desarrollo del huevo.

El experimento de Briggs y King no era una respuesta completa al asunto, ya que a menudo al trasplantar al huevo un núcleo de embrión con un estado más avanzado de desarrollo se producían anormalidades en el desarrollo. La respuesta a la pregunta: ¿puede cualquier núcleo en un organismo dirigir completamente el desarrollo de un individuo adulto? no se tenía del experimento de Briggs y King.

Experimento de Gurdon

Poco tiempo después de los resultados de Briggs y King, John Gurdon trabajando con otra especie de rana trasplantó el núcleo de una célula extraído de un renacuajo en un huevo cuyo núcleo se había retirado. Aun con muchos intentos fallidos debido a que el trasplante se debía ejecutar de forma sincronizada durante el ciclo de división de ambas células, donante y receptor, en varios de los intentos el huevo continuó el desarrollo de forma normal. Esto indicaba que el núcleo de la célula, aun en estado adelantado de desarrollo, contenía todas las instrucciones genéticas para generar todas las otras células de un adulto completo.

Experimento de Steward

Unos años después, en 1958, F. C. Steward de la Universidad de Cornell colocó pequeños fragmentos de tejido de zanahoria completamente desarrollados extraídos del floema? en un frasco que contenía un medio de cultivo. En estas circunstancias, cuando se desprendía una célula individual del trocito de tejido, a menudo se dividía y desarrollaba raíces multicelulares. Si las raíces se inmovilizaban con el uso de un medio de cultivo sólido entonces se continuaba el desarrollo normalmente hasta producir una planta madura. Este experimento despejó el camino definitivamente, aun en los adultos el núcleo de las células contiene todo el juego completo de instrucciones hereditarias y pueden generar un individuo adulto completo, es decir, son totipotentes.

Una vez determinado sin temor a equivocaciones que era en el núcleo donde se guardaba el material genético, los hombres de ciencia pensaron sin dudar en los cromosomas, de los que se venía sospechando desde tiempo atrás. Pero lo cromosomas tienen básicamente dos componentes, ADN y proteínas. ¿Cuál de los dos era el portador de la información genética? La respuesta se obtuvo del trabajo de otros investigadores.

Experimentos que señalan al ADN como responsable de la herencia

Durante el mismo período de tiempo en el que se llevaban a cabo los experimentos para determinar donde la célula guarda la información genética, se realizaban otros experimentos con bacterias patógenas (que producen enfermedades) que finalmente señalaron al ADN.

Experimento de Griffith

En 1928 el microbiólogo inglés Frederick Griffith realiza una serie de observaciones inesperadas mientras experimentaba con dos cepas de la misma bacteria patógena conocida por entonces como Peumococcus (hoy día se le llama Streptococus pneumoniae). Una de las cepas, que pudiéramos llamar normal se denominaba como S debido a que formaba colonias lisas en el cultivo. La otra cepa era un mutante de la primera que formaba colonias rugosas en cultivo y por ello se denominaba R. Ambas cepas se diferenciaban en la tenencia de un recubrimiento de polisacáridos, una de ellas, la S lo presentaba mientras la R no.

Primero, él inocula ratones con la cepa S de la bacteria y los ratones mueren con la sangre intoxicada mostrando la bacteria una fuerte virulencia. Después inocula también ratones con la cepa mutante R de la misma bacteria que no presenta la cubierta de polisacáridos, estos ratones no manifiestan enfermedad alguna. Aparentemente la cubierta es necesaria para la virulencia.

Para determinar si la capa de polisacáridos era el agente virulento en si mismo, inyecta ratones con bacterias muertas la cepa S que presentan la cubierta y los ratones permanecen sanos, no era la capa de polisacáridos el agente virulento. La sorpresa se produce cuando inocula los ratones con una mezcla de bacterias muertas de la cepa S, las que habían demostrado falta de virulencia, y bacterias vivas de la cepa R sin la capa de polisacáridos, que tampoco eran virulentas. Inesperadamente, los ratones desarrollan los síntomas de la enfermedad y muchos de ellos mueren. Al analizar la sangre, Griffith detecta en ella altos niveles de bacterias vivas de la cepa virulenta S con su capa de polisacáridos característica. ¿Como las bacterias muertas de la cepa S de la mezcla transfirieron la información que especificaba la capa de polisacáridos a las bacterias vivas de la cepa R, transformando permanentemente las "desabrigadas" bacterias R en las virulentas bacterias S? El agente responsable de esta transformación estuvo en las sombras hasta 1944.

Experimento de Avery

Oswald Avery y sus colaboradores realizaron un grupo de experimentos en 1944 para caracterizar lo que ellos llamaron "principio transformador" del experimento de Griffith.

Para proceder, estos investigadores preparan la misma mezcla de patógenos usada por Griffith y a continuación le extraen la mayor cantidad de proteínas que estaba a su alcance hasta lograr eventualmente una pureza del 99.98%. Luego realizan pruebas con el preparado libre de proteínas y estas demostraron que se mantuvo el efecto transformador intacto, de modo que seguía conteniendo el principio transformador aun sin proteínas, lo que implicaba que no eran las proteínas las que portaban la información genética que producía la transformación de los patógenos.

Por otra parte, las propiedades del preparado recordaban al ADN en varios aspectos:

1.- Una vez purificado, el análisis químico arrojaba que el arreglo de sus componentes coincidían cercanamente con el del ADN.

2.- Cuando se sometía al centrifugado a alta velocidad, el preparado purificado se ubicaba en el mismo nivel de densidad que el ADN.

3.- Si se somete el preparado purificado a la acción de enzimas digestoras de proteínas el efecto transformador no se reduce.

4.- Las enzimas digestoras del ARN (ácido ribonucleico) tampoco reducen su actividad.

5.- La enzima digestora de ADN (desoxirribunucleasa) elimina todo efecto transformador.

No queda duda, la evidencia es tanta que los investigadores concluyen que es el ADN el "principio transformador", o dicho de otro modo, es el ADN el material hereditario de la bacteria Pneumococcus.


Pero la propuesta de Avery no fue acogida entre la comunidad de biólogos debido principalmente a que los estudios anteriores de Levene indicaban que, a groso modo, los cuatro tipos de nucleótidos estaban presentes en el ADN en cantidades iguales, lo que había generado la falsa apreciación de que el ADN era simplemente un polímero (cosa que luego se demostró que no era cierta) en el que los cuatro nucleótidos sencillamente se repetían. Ante esta idea equivocada en la que la secuencia nunca cambia, no se podía "ver" la manera de que tal molécula pudiera contener la información hereditaria. Para los biólogos de la época el ADN representaba solamente un elemento estructural de los cromosomas y que eran las proteínas que el cromosoma contenía las que jugaban el rol clave en la herencia.

Experimento de Hershey y Chase

En 1952 Alfred Hershey y Martha Chase llevan a cabo un experimento que proporciona evidencias adicionales a la conclusión de Avery. Ambos científicos trabajaron con virus bacteriófagos (virus que infectan bacterias).

En esencia, un virus consiste en ARN o ADN rodeado por una capa de proteínas, y cuando estos atacan una bacteria se adhieren a la superficie e inyectan su material hereditario al interior de la bacteria. Una vez en el interior, la información hereditaria dirige la producción de otros miles de nuevos virus dentro de la bacteria lo que eventualmente conlleva a la lisis? celular liberando los virus producidos.

Para identificar el material hereditario inyectado a la bacteria al comienzo de la infección, Hershey y Chase usaron virus del tipo bacteriófagos T2 con ADN, no ARN, marcados con isótopos radiactivos. La perspicacia de los investigadores le dio la clave para el experimento: los virus tienen dos componentes, ADN y proteínas, y ambos componentes se diferencian en que el ADN contiene fósforo mientras las proteínas no, y al mismo tiempo, y en caso contrario, las proteínas contienen azufre y el ADN no lo contiene. Si se "marcan" ambos elementos (fósforo y azufre) con isótopos radiactivos solo se debe seguir la ruta del elemento marcado para saber si son las proteínas o el ADN el que el virus inyecta a la bacteria.

En algunos experimentos los virus se dejaron crecer en un medio que contenía el isótopo del fósforo 32P y este fósforo se incorporó al grupo fosfato del nuevo ADN sintetizado por los virus. En otros experimentos se hizo lo propio, pero esta vez los virus crecieron en un medio con el isótopo del azufre 35S y ellos incorporaron el azufre radiactivo a los aminoácidos de las nuevas proteínas sintetizadas en el recubrimiento. Los isótopos 32P y 35S se pueden distinguir fácilmente uno del otro debido a que emiten partículas con diferente energía durante la desintegración.

Una vez que se le permitió a los virus marcados infectar las bacterias estas últimas se sometieron a un agitado violento a fin de desprender la capa de proteínas de los virus que estaban adheridos a la superficie. Este procedimiento hizo que casi todo el 35S se desprendiera de las bacterias y terminara en el medio. Sin embargo, el isótopo 32P (y por tanto el ADN viral) había sido transferido al interior de las bacterias y fue encontrado posteriormente en los nuevos virus liberados por la ruptura de las bacterias infectadas. No quedaba margen a la duda, los virus inyectaban el ADN y no las proteínas a las bacterias y este ADN era el que dirigía la producción de los nuevos virus ya que era el portador de las instrucciones genéticas.



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