Ácidos Nucleicos - Historia

La vida en todas sus formas depende de la capacidad que tienen las células para almacenar, recuperar y traducir la información genética que es necesaria para generar y mantener a un organismo vivo. Las instrucciones están almacenadas en toda célula en su ADN, una molécula que va a determinar las características de una especie y de cada individuo.

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN, y en este primer video contaremos en sí la historia del descubrimiento del ADN, de cómo los diversos investigadores fueron determinando las funciones y estructura de una de las principales moléculas que poseen todos los seres vivos.

Y el primero que debemos de mencionar en la historia de los ácidos nucleicos es a Gregor Mendel. Gregor Mendel fue un sacerdote agustino de nacionalidad austríaca, nacido en la ciudad de Brno. Aunque actualmente esa ciudad queda en la República Checa. Gregor Mendel tenía un doctorado en matemáticas y en ciencias y en 1865 descubrió, a través de diversos experimentos trabajando con cultivos de arvejas o también denominados guisantes, que las características o elementos, como así los denominó él, son hereditarios en diversas proporciones dependiendo si son dominantes o si son recesivos, basados en leyes específicas que más tarde fueron denominados en honor a él: las leyes de Mendel o las leyes de la herencia. Su trabajo no fue valorado cuando fue publicado en 1865 y años después de su fallecimiento en 1884, tres investigadores redescubren por separado dicha investigación, como veremos más adelante.

Por otro lado, Ernst Haeckel, que era un naturalista y filósofo alemán que también había estudiado medicina y posteriormente realiza estudios en zoología, fue además un gran propulsor de la teoría de la evolución en Alemania, la teoría que fue planteada años antes por Charles Darwin. Y es considerado el padre de la ecología. En los años en que Mendel realizaba sus investigaciones, Haeckel propone que el núcleo contiene los factores que son responsables para la transmisión de las características hereditarias.

Y un científico muy importante en el descubrimiento de los ácidos nucleicos, específicamente del ADN, fue Friedrich Miescher. Ese científico fue un médico suizo que apenas terminó sus estudios, viajó a Alemania a trabajar en la Universidad de Tübingen, en el sur de Alemania, en el laboratorio del bioquímico Hoppe-Seyler, uno de los principales fundadores de la bioquímica. Miescher tenía el claro objetivo de esclarecer cuáles eran los componentes principales que podían construir la vida y en 1869, en sus trabajos iniciales realizados con leucocitos que había tomado a partir de vendas que estaban manchadas con pus de los soldados que estaban heridos en el hospital de la ciudad de Tübingen, ahí encontró proteínas, pero también encontró la presencia de una molécula con propiedades y composición que no correspondían a las proteínas. Esa molécula con características pegajosas era rica en fósforo y la denomina nucleína. Había obtenido el primer purificado de ADN.

Estos resultados hubieran sido de por sí destacables solamente, pero Miescher sugiere cómo podría ser usado en la herencia y en una carta dirigida a su tío Wilhelm His, quien investigó sobre el desarrollo embrionario, descubrió los neuroblastos, aquellas células que son precursoras de las neuronas, y además acuñó el término "dendritas", son las prolongaciones ramificadas que se encuentran en las neuronas. A su tío Wilhelm His le indicó en una carta que esa molécula podría ser capaz de transportar toda la riqueza y las variaciones de la transmisión de la herencia, algo así como todas las palabras de todas las lenguas son transportadas por 24 a 30 letras del alfabeto. Y es gracias a su tío Wilhelm His y a sus amigos y colegas que se compiló y publicó póstumamente los trabajos que realizó, ya que falleció tempranamente a la edad de 50 años, víctima de una tuberculosis.

Y poco tiempo después, otro científico, Walther Flemming, quien era un médico alemán, usando tintes de anilina, logra observar una estructura a la que denomina cromatina y que en 1882 investigó el proceso de división celular al que denomina mitosis. No conoció los trabajos de Mendel, por eso no pudo relacionar lo que observó con la herencia genética. Y al redescubrirse el trabajo de Mendel 20 años después, la investigación de Flemming cobró mucha importancia.

Y entre los años de 1884 y 1885, diversos investigadores, en trabajos independientes, dan evidencias de que el núcleo contiene las bases de la herencia. Por ejemplo, tenemos el trabajo realizado por Oscar Hertwig. Oscar Hertwig era un zoólogo alemán que descubrió la fertilización de los erizos de mar y reconoció el papel del núcleo celular en la herencia. Años antes había descubierto que la fertilización incluye el proceso de penetración del espermatozoide en el óvulo. También tenemos a Albrecht von Kölliker, un anatomista suizo, quien indicó que los espermatozoides surgen como un proceso de diferenciación celular. Tenemos también a Eduard Strasburger, este botánico alemán, comprueba que la distribución de los cromosomas ocurre durante la división celular. Y también tenemos a August Weismann, un biólogo de origen alemán, que desarrolla una teoría sobre la inmortalidad y continuidad del denominado plasma germinal, que era aquella sustancia alrededor de la cual se desarrollan las nuevas células, el que no se interrumpe a través de las generaciones. Posteriormente, esta sustancia fue denominada cromatina.

Y llegamos a Richard Altmann, un médico de origen alemán, que entre sus logros describió a los denominados "bioblastos", que consideró eran unos organismos autónomos responsables de funciones metabólicas y genéticas, y que fue una descripción inicial de lo que después conoceríamos como mitocondrias. Y finalizando el siglo XIX, en 1899, Richard Altmann hace una de sus contribuciones principales al tema que estamos desarrollando. Él logra separar en sus experimentos a las proteínas de la denominada nucleína y posteriormente acuña el término ácido nucleico en reemplazo del que había desarrollado Miescher años antes como nucleína.

Llegamos a un evento muy importante en el desarrollo de la genética, y es que tres científicos, tres botánicos de manera independiente en sus investigaciones, como son Carl Correns (alemán), Hugo de Vries (holandés) y Erich von Tschermak (austriaco), quien era nieto del profesor que enseñó botánica a Gregor Mendel, en el año 1900 redescubren los trabajos que este científico, Gregor Mendel, había desarrollado años antes. Es decir, redescubren las leyes de Mendel, que habían sido publicadas más de 30 años antes y que, luego de su fallecimiento, quedaron en el olvido. Y lo más importante de este evento es que estos tres investigadores no dieron a conocer, no informaron esto como si fuera trabajo propio, sino que lo divulgaron como correspondía: trabajo desarrollado por Gregor Mendel. Y es a partir de este hecho que los trabajos de Gregor Mendel son reconocidos y difundidos en la comunidad científica internacional.

Y por esos mismos años, dos investigadores, uno de ellos Theodor Boveri, un embriólogo alemán y considerado el fundador de la embriología experimental, junto con Walter Sutton, un médico americano, plantean a inicios del siglo XX, en 1902, una hipótesis: que las unidades de la herencia están localizadas en los cromosomas. Y como recordamos a esas unidades de la herencia, en la actualidad las denominamos "genes".

Término que fue planteado por el siguiente investigador, Wilhelm Johannsen, un botánico de origen danés, quien en 1909 acuña el término "gen", que en griego significa "que origina", como una abreviatura de "pangénesis", que fue utilizado por De Vries en 1899. Además, año después, en 1911, utiliza los términos genotipo y fenotipo.

Y el siguiente investigador juega un rol importantísimo en el estudio de los cromosomas y su rol en la herencia, y estamos hablando de Thomas Hunt Morgan, un biólogo estadounidense, quien en 1909 visita los laboratorios de Hugo de Vries en Holanda, uno de los tres científicos que mencionamos hace un momento, que redescubren los trabajos de Gregor Mendel. Y quedó gratamente impresionado con los trabajos, con las investigaciones que realizaba este, y decide dejar los trabajos de investigación en embriología, a los que él se dedicaba, para iniciar una nueva investigación en genética. Y funda un laboratorio en la Universidad de Columbia. Y en 1910 inicia sus trabajos tomando como modelo experimental en su investigación a la mosca de la fruta o *Drosophila melanogaster*. Y utilizando ese insecto, estudia la herencia y encuentra el primer mutante de ojos blancos. Y entre sus principales aportes podemos mencionar que se reconoce la presencia de los cromosomas sexuales y su papel en la herencia ligada al sexo. Además, demostró que los factores mendelianos o genes se disponen de forma lineal en los cromosomas e hizo los trabajos fundamentales para la base de la genética del sexo. Y en 1933 es galardonado como el Premio Nobel de Medicina o Fisiología por sus trabajos concernientes al estudio de los cromosomas y su papel en la herencia.

Y a fines de la segunda década del siglo XX, un médico de origen inglés, Frederick Griffith, trataba de desarrollar una vacuna contra la bacteria *Streptococcus pneumoniae*, causante de la neumonía. Esta bacteria se caracteriza porque presenta dos cepas: una de ellas muy virulenta, causante de la muerte, denominada cepa S, y que desarrolla una cápsula, mientras que la otra cepa no virulenta, denominada R, no posee la capacidad de desarrollar cápsula. Y en una etapa de su investigación, inactiva la cepa virulenta por calor, las cuales mueren, y agrega esto a otro cultivo de cepas no virulentas, es decir, a cepas R y vivas, y se convierten en cepas virulentas con capacidad de formar cápsula en cepas S, y además con la capacidad de poder transferir esto a su progenie. Y a este fenómeno se denominó "transformación". Y Griffith postula la presencia de un "factor de transformación" qué permitía esta transformación. Posteriormente, se determinó que la inactivación por calor no destruía el ADN, el cual se liberaba de las células virulentas S destruidas por el calor y se implantaba en las cepas R.

Y con los trabajos de este investigador, la estructura del ADN va tomando forma. Y es que Phoebus Levene, un bioquímico ruso, identifica a la ribosa y a la desoxirribosa como los azúcares de los ácidos nucleicos. También demostró que el ADN está formado por desoxirribosa, un grupo fosfato y cuatro bases nitrogenadas: la adenina y la guanina (purinas), y la timina y citocina (pirimidinas). Pero planteó erróneamente una hipótesis que el ADN estaba formado por esas bases nitrogenadas en forma de un "tetranucleótido" que se repetía a lo largo de la molécula, hipótesis que posteriormente fue desechada por trabajos de otros investigadores.

Mientras que, por otro lado, el físico alemán Max Delbrück y el médico italiano Salvador Luria inician trabajos sobre los estudios del papel del ADN en la célula. Y el material que utilizaron eran virus que infectan a las bacterias, denominados bacteriófagos o fagos. Y el análisis químico de estos elementos determinó que estaban formados de ADN y proteínas, las dos moléculas que en ese momento se disputaban el papel del portador del material genético. En ese momento no se había determinado que era el ADN. Y casi 30 años después de esta investigación, en 1969, Delbrück, Luria, junto con Alfred Hershey, reciben el Premio Nobel de Fisiología o Medicina. El trabajo que realiza Hershey lo veremos más adelante.

Y por esos mismos años, dos científicos americanos, el genetista George Beadle y el biólogo Edward Tatum, realizan experimentos con el hongo *Neurospora crassa*, al cual lo exponen a rayos X, causándole mutaciones. Demuestran que estas mutaciones causaban cambios en enzimas muy específicas y a partir de esto formulan la propuesta que luego fue ganadora del Premio Nobel: que hay una relación directa entre los genes y las reacciones enzimáticas, es decir, que un solo gen especifica una sola enzima, o en forma abreviada, la hipótesis "un gen, una enzima".

Y pocos años después, un grupo de científicos encabezados por Oswald Avery, quien junto con Colin MacLeod, un genetista canadiano, y Maclyn McCarty, un médico estadounidense, trabajan con cultivos de la bacteria *Streptococcus pneumoniae*, como describimos hace un momento, que se caracteriza por presentar dos cepas: la cepa S, que tiene una cápsula que rodea la célula y que es muy virulenta, y la cepa R, que no posee la cápsula, por lo tanto, no tiene virulencia. Y al agregar un extracto del cultivo S al cultivo R, el extracto producía cambios en esta segunda cepa, la no virulenta, y hacían que las bacterias fueran capaces de sintetizar a la cápsula, convirtiéndolas en virulentas, es decir, en cepas S. Concluyen que el extracto llevaba la información genética necesaria para modificar las características de las bacterias. Y cuando analizaron ese extracto, encuentran que se trataba de una solución de ácidos nucleicos. Y ese experimento se relaciona con el que fue desarrollado 16 años antes, en 1928, por Frederick Griffith, cuando descubrió el que denominó el "factor de transformación" o "factor transformador". Se podía asegurar entonces que el ácido nucleico, y no la proteína, es la sustancia que porta la información genética.

Poco tiempo después, un grupo de científicos de origen francés, Jean Brachet y Roger Vendrely, y André Boivin, descubren que el núcleo de las células germinales contiene la mitad del ADN que el de las células somáticas, y también que ocurre una reducción del número de cromosomas durante la gametogénesis. Esto, como resultado, propone mayor evidencia de que el ADN es el material genético.

Mientras que un científico de origen austríaco, el bioquímico Erwin Chargaff, de la Universidad de Columbia, separó las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos mediante la técnica de cromatografía en papel. De esa manera, analizó el contenido de purinas y de pirimidinas del ADN de muchos tipos diferentes de seres vivos y encontró que, contrariamente a lo que se creía hasta ese momento, las bases nitrogenadas no siempre aparecen en proporciones iguales, que fue una idea propuesta por el bioquímico Levene cuando propone la presencia de los que él denominó "tetranucleótidos". Pero encuentra Chargaff que la composición de las bases del ADN varía entre especies, pero determina que las bases del ADN, dentro de una especie, están siempre presentes en una proporción fija: el mismo número de adeninas que de timinas, y el mismo número de guaninas que de citocinas. A eso es lo que posteriormente y en su honor se ha denominado como la "regla de Chargaff".

Y casi en paralelo al proyecto anterior, en un proyecto dirigido por el químico americano Alfred Hershey, quien trabajaba con su asistente de laboratorio Martha Chase, utilizan como modelo de investigación el virus de bacteria denominado bacteriófago T2. Para confirmar que el ADN es el material genético, utilizan dos muestras separadas del virus: una contenía el ADN marcado con un isótopo radioactivo, y la otra muestra contenía la proteína del virus marcada con otro isótopo radioactivo diferente. Cultivan los dos tipos de virus por separado, infectan bacterias con los dos grupos de fagos y analizan las bacterias en busca de radioactividad y encuentran como resultado que el material genético viral era el ADN y no la proteína. Y en 1969, a Hershey, como director del proyecto de investigación, le es concedido el Premio Nobel de Medicina o Fisiología, que comparte con Delbrück y Luria.

Y la historia que viene a continuación es bastante importante y también conocida por muchos. Se trata del trabajo de investigación que llevaron a cabo Rosalind Franklin y Maurice Wilkins. Ella, una química de origen inglés, y él, un físico neozelandés, usando análisis de rayos X, es decir, métodos cristalográficos, demostraron que el ADN tiene una estructura helicoidal repetitiva y además concluyeron que el esqueleto fosfato está en el lado externo de la estructura.

Pero hay que hablar un poco más de lo que ocurrió detrás de todo este proyecto de investigación. Eran tiempos en los que para una mujer, una carrera científica era algo casi prohibido, casi vedado. Pero aún así, Rosalind Franklin pudo obtener un doctorado en química física en la Universidad de Cambridge en 1945. Y luego de perfeccionarse en la técnica de difracción de rayos X en París, regresa a la misma Universidad de Cambridge y se incorpora al laboratorio de John Randall del King's College. Allí trabaja con Maurice Wilkins, quien había desarrollado una investigación a inicios de la Segunda Guerra Mundial, donde viaja a los Estados Unidos y trabaja en el proyecto, en el famoso Proyecto Manhattan, que consistió en perfeccionar el radar y además en el diseño de la bomba atómica. Wilkins, ya en la época en que Rosalind Franklin llega al laboratorio donde laboraba en la Universidad de Cambridge, estaba estudiando la estructura del ADN y, según dicen, parece que no quería competidores en ese tema y mucho menos si se trataba de una mujer. Se dice que entre ellos hubo desavenencias y muchas aflicciones durante su trabajo, y además las personalidades que tenían eran tan diferentes que esto ahondó mucho la división y trabajaron de manera aislada.

Según James Watson, a quien mencionaremos en un momento más, en su autobiografía "La doble hélice", comentó que casi desde el mismo momento en que ella llega al laboratorio de Maurice, empiezan a contrariar mutuamente. Entonces, ¿qué ocurre? Wilkins busca a su amigo Francis Crick, que trabajaba con James Watson también en la Universidad de Cambridge, en la construcción de un modelo del ADN. Sin embargo, ella estaba decidida a encontrar ese secreto que se buscaba hace mucho tiempo respecto al ADN y comienza a sacar fotografías mediante la técnica de difracción de rayos X, ya que estaba convencida que era la única forma de poder establecer una estructura del ADN mediante estos métodos cristalográficos. Ella obtuvo muchas fotografías que mostraban una estructura completamente diferente de lo que se estaba postulando hasta ese momento. El papel de ella era muy importante en esa investigación, pero, y eso también han comentado posteriormente Watson y Crick, sin el consentimiento de Franklin, Watson y Crick vieron algunos de los datos que no estaban aún publicados, y entre los que se encontraba la famosa "Foto 51". Esta foto fue mostrada por Wilkins a Watson y a Crick, y esa era una foto de difracción de rayos X de una molécula de ADN y que mostraba claramente que esta era una estructura en hélice. Y usando esa información, pero también información de muchos otros investigadores y también sus propios datos, Watson y Crick crearon su famoso modelo de doble hélice tridimensional, que describiremos en un momento más, y lo publicaron en 1953.

Poco tiempo después, en el año 1962, y casi 100 años después de que Friedrich Miescher descubriera la que él denominó nucleína y posteriormente denominado ácido nucleico, Watson, Crick y Wilkins fueron premiados con el Premio Nobel de Medicina o Fisiología debido a sus descubrimientos concernientes a la estructura molecular de los ácidos nucleicos y su significado para la transferencia en la materia viva. Este premio no fue concedido a Rosalind Franklin, no fue reconocido de esta manera su investigación, debido a que ella fallece en el año 1958, 4 años antes de que se concediera el premio Nobel, tan solo a los 37 años, debido al desarrollo de un cáncer de ovario, quizás a la sobreexposición, a la exposición constante a los rayos X, debido al trabajo que ella desarrolló.

Y llegamos a la parte final y fundamental de este video. Luego de haber revisado los aportes de tantos investigadores que dieron pie a los trabajos de investigación de dos grandes científicos como son James Watson, un biólogo estadounidense, y Francis Crick, un físico y biólogo inglés, quienes descubren la estructura molecular del ADN, una doble hélice en la cual la adenina siempre se aparea con la timina y la citosina siempre con la guanina, como describió Chargaff en años anteriores. Ya hemos adelantado algo de este evento al describir los trabajos realizados por Franklin y por Wilkins, pero veamos ahora los logros de esos dos grandes científicos del siglo XX.

Watson, bastante joven, en 1950 obtiene su grado de Doctorado (Ph.D.) en zoología y su tesis la realizó con el asesoramiento de Salvador Luria, a quien vimos hace unos momentos en el trabajo de investigación donde describe la estructura de los fagos. Y por su lado, Francis Crick trabajó en el mejoramiento de minas magnéticas durante la Segunda Guerra Mundial y estudia biología después de finalizado el conflicto mundial. Y en sus propias palabras, describió este paso de la física a la biología casi como si uno hubiera nacido otra vez.

Y en 1951, Watson y Crick coinciden en los laboratorios Cavendish de la Universidad de Cambridge y comienzan a trabajar juntos, dedicando todo su tiempo a la estructura del ADN. No hicieron experimentos de la manera habitual, sino que examinaron y contrastaron todos los datos que existían acerca de esta molécula. Y basándose en los análisis por difracción de rayos X realizados por Rosalind Franklin, que comentamos hace un momento, recordemos que ella tomó muchas fotos por ese método de cristalografía, y la famosa Foto 51 fue mostrada por Wilkins a estos investigadores. Y además de esa información y la información recopilada por otros investigadores, en 1953, Watson y Crick publican un artículo en la revista *Nature*, en el volumen 171. Y en este trabajo, Watson y Crick explican la estructura helicoidal de una molécula de ADN que estaba formada por dos cadenas de nucleótidos enlazados en forma de doble hélice. Y la doble hélice presentaba hacia el exterior las moléculas de azúcar y fosfato, y hacia el interior las bases emparejadas de forma complementaria. Y aquí apreciamos el esquema de la molécula que ellos presentan en su artículo publicado en la revista *Nature*.

Ese modelo molecular en doble hélice para el ADN permitía la molécula duplicarse, puesto que las dos cadenas de la hélice eran complementarias, y constituía la base de los mecanismos de transferencia de la información biológica. Con esto se pudo comprender cómo se transmite el material hereditario de unas generaciones a otras.

Y posteriormente al descubrimiento de la estructura del ADN, ambos continuaron laborando, investigando a los ácidos nucleicos. Por un lado, James Watson descubrió que el ARN mensajero era el encargado de transferir el código genético del ADN, a partir del cual se había sintetizado, a las estructuras celulares formadoras de proteínas, que son los ribosomas, que posteriormente veremos en otro video, mediante un proceso denominado traducción. Y en años más recientes, entre 1988 y 1992, dirigió el famoso Proyecto del Genoma Humano, cuyo objetivo principal era determinar la secuencia completa de nucleótidos del ADN humano e identificar y localizar los genes en los cromosomas.

Y por su lado, Francis Crick, en 1957, plantea el "dogma central de la biología molecular", donde explica cómo fluye la información desde el ADN hasta la síntesis de las proteínas en una sola dirección, un proceso que veremos en videos posteriores. Es decir, describe los mecanismos de transmisión y la expresión de la herencia.

El descubrimiento de Watson y Crick se considera como uno de los principales acontecimientos científicos del siglo XX que cambió el rumbo de la bioquímica y dio paso al inicio de una nueva disciplina: la biología molecular. Y en los siguientes videos continuaremos revisando a los ácidos nucleicos, como la estructura y función de estas moléculas.