La conquista de la herencia: ácidos nucleicos y catalizadores enzimáticos

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. La nueva ruta propuesta consistía en incorporar progresivamente los aminoácidos a la cadena peptídica creciente  en una matriz sólida y luego de alcanzada la secuenciación deseada esta matriz era químicamente destruida sin alterar la estructura proteica. En calidad de matriz sólida seleccionó un polímero de poliestireno insoluble

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. Gilbert ha jugado un papel protagónico en el colosal empeño de determinar la secuencia de los 3.120 millones de pares de bases del ADN humano, el llamado Proyecto Genoma Humano.

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. Este espectacular logro de la biología molecular fue alcanzado en la década de los ochenta cuando el bioquímico estadounidense Kary Mullis (1944- ) descubrió que la enzima llamada polimerasa del ADN, extraída de ciertas bacterias termófilas, pemitía el desarrollo en el laboratorio de la replicación rápida de secuencias cortas y específicas del ADN. La reacción en cadena de la polimerasa, nombre que recibió el  fantástico método, pronto encontró las más variadas aplicaciones.

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.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *