El secreto de la vida
Hoy en día es imposible encontrar una serie policíaca en televisión sin que aparezcan investigadores pidiendo muestras de saliva de los sospechosos para analizar su ADN, y apenas pasa un día sin que se mencione en una noticia el ADN en algún contexto. Muchas de estas noticias están relacionadas con crímenes, pero cada vez más, leemos sobre increíbles progresos en la ciencia y en la medicina debido a habilidades relativamente nuevas para identificar el ADN. Y como prueba de lo generalizado que se ha vuelto el ADN, un registro genealógico de Internet ofrece a sus clientes la oportunidad de analizar su ADN y así acceder a una base de datos para buscar relaciones familiares con otros que se hayan registrado. Increíble.
Desde finales de los 50 y comienzos de los 60, los biólogos moleculares han aprendido a caracterizar, aislar y manipular los componentes moleculares de las células y organismos. Estos componentes incluyen el ADN (ácido desoxirribonucleico), depositario de la información genética; el ARN, un pariente cercano del ADN, cuyas funciones van desde servir como copia temporal de trabajo del ADN a otras estructurales y enzimáticas; y las proteínas, las mayores moléculas estructurales y enzimáticas que hay en las células.
Cuando se descubrió por primera vez la estructura del ADN por James Watson y Francis Crick, al ADN se le llamó «el secreto de la vida», pero hoy los científicos saben que el ADN no es exactamente eso. Se trata más de una llave especial —con ella, acaban de empezar a desentrañarse los misterios de la vida y del desarrollo.
La biología molecular es el estudio de la biología a nivel molecular. El campo se extiende por otras áreas de la biología y la química, en especial la genética y la bioquímica. La biología molecular trata principalmente de la comprensión de las interacciones entre varios sistemas de células, incluyendo las interrelaciones que se dan en el ADN, el ARN y la síntesis de proteínas, y cómo se regulan estas interacciones.
Cada célula dentro de cada organismo vivo —desde la piel hasta el músculo (excepto los glóbulos rojos)— contiene una copia del mismo ADN. La secuencia de ADN es la disposición particular de bases pareadas a lo largo del filamento de ADN. El orden establece instrucciones exactas de los rasgos de cada organismo particular. Las pequeñas criaturas en la célula llamadas mitocondrias (que llevan a cabo la respiración de las células) y los cloroplastos (que hacen la fotosíntesis) tienen su propio ADN y pueden reproducirse por sí mismas. En los humanos, podemos rastrear el ADN mitocondrial de madres a hijos y de este modo determinar el lazo maternal. Podemos hacer lo mismo con los cromosomas y entre padres e hijos.
Antes de que ni siquiera se concibiese el ADN hubo avances en muchos frentes. Los antiguos tenían ideas básicas sobre la herencia y entendían algunos fundamentos de la reproducción. Ciertos animales cuando se reproducían entre sí daban a luz a animales con la misma fortaleza (o color, u otros rasgos) que los padres. Sin embargo, fue de algún modo un proceso de prueba-error y nadie tenía la menor idea de los mecanismos que se ponían en marcha desde un punto de vista científico.
Antes de que la genética se convirtiese en una ciencia, el mundo necesitó descubrir cómo comenzó la vida (científicamente) y necesitó saber que había mecanismos (los genes) en nuestros cuerpos que de algún modo determinaban la herencia.
El trabajo con los microscopios de Antony van Leeuwenhoek (1623-1723; presentado en el capítulo 6) condujo a una de las primeras pistas necesarias. No solo fue Leeuwenhoek la primera persona en ver el esperma en el microscopio, sino que su descubrimiento de los huevos de las pulgas eliminó la teoría de que las pulgas (o cualquier ser vivo) podían nacer de manera espontánea.
Entonces, a mitad del siglo XIX, apareció un monje austríaco, Gregor Mendel (1822-1884), con la afición de cultivar guisantes que iba cruzando. Mendel documentó cuidadosamente sus cruces de plantas altas y bajas, o que tenían guisantes lisos o rugosos, y comenzó a ver algo dentro del proceso de reproducción de las plantas que operaba siguiendo un plan dominante/recesivo. (Cuando cruzaba plantas altas con otras cortas, no obtenía plantas de tamaño medio como cabría esperar, sino que siempre obtenía plantas altas). No había canales por los que un monje con una afición interesante pudiese contarles a los demás lo que había descubierto, de modo que nadie supo de sus hallazgos mientras vivió. Sin embargo, dejó tras de sí unos escritos muy detallados y finalmente su trabajo salió a la luz y estableció el camino para descubrimientos muy importantes.
No fue hasta 1900 —la fecha del nacimiento de la genética moderna— que un artículo casi olvidado de Mendel, (que ya había muerto en 1900) escrito en 1865, comenzó a calar en la comunidad científica al ser presentado por Hugo deVries y Carlo Correns. Por aquella época los científicos comenzaban a intuir el significado de los rasgos hereditarios. Aunque el momento de «ah, entonces así es como funciona» en el caso del ADN no llegó hasta la década de 1950, su existencia fue descubierta a principios del siglo XX por un bioquímico alemán que encontró que los ácidos nucleicos estaban compuestos por azúcar, ácido fosfórico y varios compuestos conocidos como bases que contienen nitrógeno.
Gregor Mendel (1822-1884) y su afición de cultivar guisantes. Mendel documentó cuidadosamente sus cruces de plantas altas y bajas, o que tenían guisantes lisos o rugosos, y comenzó a ver algo dentro del proceso de reproducción de las plantas que operaba siguiendo un plan dominante/recesivo. Sus experimentos sentaron las bases de la teoría de la herencia genética.
En 1944 el científico americano y biólogo molecular, Oswald Avery (1877-1955), demostró que el ADN porta información genética. Aunque este descubrimiento fascinó a los científicos, aún había poco que pudiesen hacer con la información ya que no conocían la estructura molecular del ADN. Solo descodificándola podrían comenzar a entenderla y a entender cómo usar esa información para ayudar a la humanidad.
Aunque casi todos los descubrimientos científicos se basan en gran medida en el trabajo científico que los precede, el descubrimiento de la estructura del ADN no solo se basó en el trabajo de otros, sino también en la serenpidia. Y como una buena carrera de caballos, había varios científicos (y grupos de científicos) avanzando a toda velocidad para identificar la estructura del ADN. La victoria de Watson y Crick fue debida a un poco de suerte y a mucha atención a su propio trabajo y lo que oían del trabajo de los demás. A esta mezcla añádase el hecho de que una de las científicas de cabeza (Rosalind Franklin) era antipática y no muy apreciada, lo cual animó a los miembros de su departamento a compartir con otros algunos de sus hallazgos.
La historia comenzó en el King’s College de Londres, donde el biofísico británico Maurice Wilkins (1916-2004) trabajaba para determinar la estructura de la molécula de ADN. Wilkins decidió que para entender el ADN, necesitaba una imagen, de modo que acudió a Rosalind Franklin (1920-1958), que no era más que una estudiante de posgrado pero que era conocida como la mejor en cristalografía por rayos X. Franklin se puso a trabajar y aunque no le gustaba dar informes provisionales, accedió a dar una charla en el departamento sobre las primeras imágenes de formas secas y húmedas de ADN, que comenzaban a mostrar evidencias de su estructura helicoidal (1951). El caso es que James Dewey Watson (1928-), un americano graduado en zoología de veintitrés años que había estudiado ornitología y virus, visitó el departamento aquel día y tuvo acceso a pistas muy importantes sobre los primeros hallazgos de Franklin.
Watson acababa de llegar al Laboratorio Cavendish donde esperaba estudiar el ADN. Acababa de interesarse por la materia, pero ya había decidido que tenía que ser él quien descodificase la estructura. Fue en Cavendish donde conoció a su futuro compañero, Francis Crick (1916-2004), un físico que estaba fascinado con la aplicación de la física a la biología y que también tenía intención de investigar cómo la información genética puede almacenarse en forma molecular.
Aunque formaban una extraña pareja, Watson y Crick estaban unidos por su determinación para entender mejor el ADN. Crick aportó su conocimiento de la difracción de los rayos X, y Watson su comprensión de los virus y de la genética de las bacterias. Irónicamente, a Watson y Crick les dijo su superior que no trabajarían en desentrañar el ADN, pues había otros científicos trabajando en ello. A pesar de esto, Watson y Crick continuaron, incluso invitando a Franklin a que se les uniera en el trabajo. Ella los rechazó y no acudió.
En otro continente, el químico americano y premio Nobel Linus Pauling (1901-1994) trabajaba con radiocristalografía y la construcción de modelos moleculares. En 1952 tenía la esperanza de viajar a Inglaterra a una conferencia donde sabía que estaría Franklin, pero se le negó pasaporte alegando que era simpatizante comunista. Estaba tan avanzado en su trabajo que si hubiese acudido, él y Franklin sin duda habrían sido los primeros en dar con la solución de la estructura del ADN.
Mientras tanto, Franklin había hecho grandes progresos en su trabajo. Había desarrollado con éxito una buena fotografía de la forma B (o húmeda) del ADN, que mostraba una doble hélice. Sin embargo, no estaba lista para dar la información hasta que hubo explorado algo que le preocupaba sobre la forma A (o seca). Su renuencia molestó a su compañero, Wilkins, quien decidió continuar sin ella.
En 1953, Watson fue a visitar a Wilkins, y ya que ambos habían sufrido el rechazo de Franklin, se unieron en su antipatía por su actitud. Durante el encuentro, Wilkins mostró a Watson una copia de la fotografía de Franklin de la forma húmeda del ADN, revelando la forma helicoidal que Watson había sospechado. La fotografía condujo a Watson a sospechar que el ADN podía reproducirse porque estaba estructurado como una doble hélice.
Crick era consciente de la tensión entre Wilkins y Franklin y usó esto como oportunidad para acudir a sus superiores e intentar que le dieran permiso para intentar un modelo de ADN; esta vez el permiso le fue concedido.
Más tarde, sin permiso de Franklin, pasaron un informe departamental de Franklin a Watson y Crick. Daba pruebas concluyentes de que el ADN era una hélice múltiple. Watson y Crick supieron que los ejes de fosfato del ADN debían estar en el exterior de la molécula. Este descubrimiento fue clave para entender la estructura. (Se debatirá por mucho tiempo si Watson y Crick debieron tener acceso a los resultados de Franklin antes de que los publicase formalmente).
Para la última pieza del puzle, Watson y Crick acudieron al trabajo realizado por Erwin Chargaff en 1950. Franklin era el científico que realmente tenía una plena comprensión del trabajo de Chargaff, que trataba sobre el pareamiento de bases del ADN. Había completado un borrador de un artículo fechado el 17 de marzo de 1953 que identificaba la estructura de doble hélice del ADN así como los emparejamientos de bases específicos que permitían la «apertura» de la doble hélice durante la división celular de modo que el gen, y finalmente el cromosoma, pudiesen replicarse.
A pesar de la comprensión general que Franklin tenía del proceso, fueron Watson y Crick los que publicaron primero su artículo. De forma bastante discreta, el artículo de Watson y Crick sobre la estructura del ADN apareció en la publicación británica Nature, y describía la molécula de ADN como una larga cadena de dos filamentos enrollada en una doble hélice que se parecía a una escalera retorcida. El artículo resumía la contribución de Wilkins y Franklin mencionando simplemente que los pensamientos de Watson y Wilkins fueron «estimulados» por los resultados no publicados de Wilkins, Franklin y sus colaboradores en el King’s College.
En 1962, se concedió el premio Nobel de Fisiología y Medicina a Watson, Crick y Maurice Wilkins por su trabajo. Franklin había muerto en 1958 de cáncer, probablemente relacionado con la gran exposición a la radiación en su trabajo con la difracción por rayos X que resultó tan vital para entender la estructura del ADN. Como el Nobel no puede concederse de manera póstuma, nunca fue honrada por su trabajo, de modo que lo único que queda es reconocer sus importantes contribuciones contando su historia.
El genoma humano: Qué es
El genoma humano es el conjunto completo de ADN de una persona, dispuesto en 23 parejas distintas de cromosomas (la pareja 24 es la que determina el género) —moléculas físicamente separadas que tienen una longitud de entre 50 y 250 millones de parejas de bases. Cada cromosoma contiene muchos genes, las unidades básicas físicas y funcionales de la herencia.
Los genes son tan solo el dos por ciento del genoma humano; el resto consiste en regiones sin código, cuyas funciones pueden ser dar integridad estructural cromosomática y regular dónde, cuándo y en qué cantidad se fabrican las proteínas. Aunque los genes reciben mucha atención, son las proteínas las que realizan la mayoría de las funciones vitales e incluso constituyen la mayor parte de la estructura celular.
En los 80, James Watson tuvo otra pasión, que también ha sido absolutamente clave para los avances médicos y científicos. Watson ayudó a presionar al Congreso para que creara el Proyecto del Genoma Humano de los Estados Unidos, un esfuerzo multimillonario para mapear la secuencia exacta nucleótida que está contenida en cada uno de los 24 cromosomas humanos —el así llamado libro de la vida (que contiene aproximadamente tres mil millones de letras).
Irónicamente, el Proyecto del Genoma Humano partió del Departamento de Energía de los EE.UU. (aunque, se originó en su Programa de Sanidad y Medio ambiente). Desde 1947 el DOE y sus agencias predecesoras han sido impulsados por el Congreso a desarrollar nuevos recursos energéticos y a perseguir un mejor entendimiento de los riesgos potenciales para la salud y el medioambiente que plantea su producción y uso.
En 1986 Charles DeLisi, que entonces era director de los programas de investigación relacionados con la salud del DOE, se convenció de que era imperioso que estudiaran de manera efectiva los efectos biológicos de la radiación (junto con la información de si estos efectos eran transmitidos genéticamente, como en los casos de los supervivientes de Hiroshima). En 1990, el DOE y los Institutos Nacionales de Sanidad, que entendían que el conocimiento del genoma humano era necesario para el continuo progreso de la medicina y de otras ciencias de la salud, acordaron dedicar tres mil millones de dólares al proyecto, y establecieron una fecha límite de quince años. Se les unió el Wellcome Trust, una organización benéfica privada del Reino Unido. También hubo contribuciones de Japón, Francia, Alemania y China.
En 1998, una compañía privada, Celera Genomics, dirigida por el investigador Craig Venter, entró en escena. Venter, que estaba usando una nueva técnica (shotgun sequencing, un proceso que rompe el ADN en segmentos más cortos para que se lean más rápidamente, y luego vuelve a recomponerlos para una lectura completa al final), esperaba acabar antes que el gobierno y planeaba patentar parte de lo que descubriese. Aunque sus contribuciones fueron notables, en marzo de 2000 el presidente Clinton anunció que no podría patentarse la secuencia del genoma, haciendo que las acciones de empresas biotecnológicas —incluyendo las de Celera— se desplomasen.
La competición resultó buena, y en 2000, debido a una amplia colaboración, tanto pública como privada, se acabó un tosco borrador del genoma y fue anunciado conjuntamente por el entones Presidente Clinton y por el Primer Ministro Británico Tony Blair.
En febrero de 2001 tanto Celera como los científicos del gobierno publicaron detalles de sus descubrimientos —Nature publicó la versión del gobierno y Science la de Celera. Juntos, la secuencia que habían identificado constituía el 90 por ciento del genoma. En 2003 una comunicación conjunta anunció que se había secuenciado el 99 por ciento del genoma con una precisión del 99,99 por ciento. Para los fines propuestos, el proyecto fue completado en abril de 2003, dos años antes de lo previsto. Resultó ser el cincuenta aniversario de la publicación de Watson y Crick sobre la estructura del ADN que inauguró la era de la biología molecular.
Lo que ha sorprendido a todo el mundo —incluso a los científicos— es que los humanos son mucho más «simples» de lo que se había creído originalmente. Han encontrado que el genoma humano solo tiene unos 30 000 genes —la estimación original era tres veces superior a ese número. Este descubrimiento sugiere que necesitamos todavía entender mucho más acerca de cómo funcionan los genes, cómo se llevan a cabo sus instrucciones y cómo se producen las enfermedades y otras anomalías. Pero mientras tanto, las ganancias han sido increíbles.
El conocimiento sobre el ADN puede llevarnos a entender cómo todas las partes de las células —genes, proteínas y muchas otras moléculas— trabajan juntas para crear organismos vivos complejos. El ADN subyace a casi todos los aspectos de la salud humana, y entender lo que el ADN tiene que ver con la salud tendrá un profundo impacto en la manera en la que se diagnostican, se tratan y se previenen las enfermedades. Por ejemplo, los científicos han descubierto un gen variante portado por más de un tercio de la población de los EE.UU. que conduce a un considerable incremento de la diabetes de Tipo 2. Esto debería llevar a una mejora en los test de diagnóstico así como en el tratamiento.
En diciembre de 2005, se anunció un nuevo proyecto: el Atlas del Genoma del Cáncer. El proyecto piloto está diseñado para identificar y desentrañar las anomalías genéticas que contribuyen al cáncer —un esfuerzo que podría conducir a nuevos test de diagnóstico y tratamientos para la enfermedad. Los científicos hace mucho que saben que las mutaciones genéticas se acumulan en las células normales de una persona durante toda la vida y pueden hacer que esas células sean cancerígenas. Ya se conocen unos 300 genes que están involucrados en la aparición del cáncer, y hay un puñado de medicamentos que interfieren con anomalías genéticas específicas.
Casi cada semana se anuncian nuevos logros. En 2005 se completó la secuencia del genoma del perro, sumándose a la de los ratones y los chimpancés. Todos estos estudios conducirán a una mayor comprensión de la historia evolutiva y a un mayor entendimiento de muchas especies.
Toda esta información sobre los varios genomas está ahora disponible para los científicos de todo el mundo, y se abre un nuevo futuro para la secuenciación del genoma humano. Algunos de los cambios que podréis ver serán:
Junto con los científicos que realizan los avances genéticos, los comités científicos necesitarán vérselas con asuntos éticos que estos avances crean. Estos van desde aquellos en apariencia simples —¿qué ocurre si el maíz modificado genéticamente se cruza con el maíz normal?— a asuntos que afectarán a nuestras vidas de maneras más importantes. Por ejemplo, si alguien se somete a un test genético que muestra una predisposición a algún tipo de enfermedad crónica, hemos de estar seguros de que esta información nunca podrá ser usada para que afecte lo que ocurra con el trabajo de esta persona. La predisposición a una enfermedad no significa que vayas a contraerla. Significa que si ocurren las influencias necesarias, es muy probable que contraigas la enfermedad. Por ejemplo, si tienes predisposición al cáncer de pulmón entonces estar expuesto al humo o a contaminantes en el aire podría causar que ciertas células cambien y se desarrollen para provocar cáncer de pulmón, activando la guerra herencia-entorno (herencia —el ADN que heredas— contra entorno —los factores medioambientales que podrían activar tu ADN).
Necesitarán abordarse problemas sobre la privacidad, la justeza en el uso, y el acceso a la información genética mientras los avances continúan.
Hoy en día tenéis que leer el periódico o las revistas y publicaciones adecuadas —no vuestro libro de ciencias— para manteneros al día con lo que ocurre con el ADN.
Dado el uso que se hace del ADN en las series de televisión y que ocupa muchos titulares, un capítulo sobre el ADN no puede terminar sin hablar sobre su uso en el sistema de justicia criminal. Aunque la secuenciación del ADN ha estado presente desde los 50, su uso por el sistema de justicia es relativamente reciente.
El ADN se usó por primera vez en un caso criminal en Gran Bretaña en 1986 cuando el profesor Alec Jeffreys ayudó a resolver el asesinato y violación de dos adolescentes. (Hasta 1992 la Academia Nacional de Ciencias no aprobó el uso del ADN de manera oficial para juicios). Después de que dos chicas de quince años fueran asesinadas en 1983 y 1986, la policía arrestó originalmente a un joven con un historial de enfermedades mentales, pero el profesor Jeffreys no estaba convencido de que la policía tuviese al hombre correcto. Tras analizar el semen recogido de los cuerpos, Jeffreys pidió a todo el mundo en la pequeña ciudad de Narborough que se sometiera voluntariamente a un test de ADN. Al principio, no surgió ningún culpable. Finalmente la policía descubrió que un panadero de nombre Colin Pirchfork le había pagado a otra persona para que diese una muestra de sangre en su lugar, y cuando la policía interrogó a Pitchfork confesó ambos crímenes. Al suministrar su propio ADN, la policía vio que coincidía y pudo arrestarlo.
Uno de los primeros test de ADN en un tribunal en los EE.UU. se utilizó en lo que se llamó el «juicio del siglo» —como se conocía en la calle el juicio por asesinato al que fue sometido la estrella del deporte O. J. Simpson. Aunque el ADN de Simpson fue encontrado en la escena del crimen, la fiscalía no pudo convencer al jurado de la culpabilidad de Simpson. El uso del ADN en un juicio aún era algo nuevo, y aunque los científicos y los abogados expusieron el hecho, la defensa convenció al jurado de que la prueba podía haber sido contaminada. Este caso dejó claro lo importante que era que los investigadores recibieran un cuidadoso entrenamiento para la recogida de pruebas, y también, como resultado, los laboratorios criminales comprendieron la importancia de estar certificados para realizar este tipo de pruebas.
A finales de los 90, los laboratorios forenses comenzaron a adoptar un nuevo método de análisis llamado STR (o microsatélites) que reduce el tiempo de análisis de semanas a días y usa patrones que se repiten unas pocas de veces, entre cinco y treinta en la mayoría de los casos. También mejora la precisión —al principio del uso forense del ADN, la posibilidad de error era de uno entre cien mil; con el método de microsatélites es de uno entre un billón.
En enero de 2006, unos científicos japoneses anunciaron que habían localizado el gen que dicta qué tipo de cera en los oídos tiene la gente. Resulta que hay dos tipos de cera: húmeda y seca. La forma húmeda predomina (97 por ciento de la población) en África y en Europa. La clase seca es más frecuente entre asiáticos orientales. La población en el sur y centro de Asia está más o menos al 50 por ciento.
Aunque puede que la cera de los oídos no os importe mucho, quizá esta información adicional sea de vuestro interés. Los científicos dicen que el tipo de cera y el olor de las axilas están relacionados. Las poblaciones con cera seca, como los de Asia del este, tienden a sudar menos y a tener poco o ningún olor corporal. Aquellos con cera húmeda sudan más y tienen más olor corporal.
Uso de las huellas dactilares
Aunque el ADN gradualmente está dejando obsoleto el uso de las huellas dactilares en las investigaciones criminales, es interesante mirar atrás a la primera vez que las huellas fueron usadas en un caso de asesinato. Con este tipo de prueba también hicieron falta treinta años de experimentos antes de que se aceptasen.
En 1905, dos tenderos, marido y mujer, fueron encontrados golpeados hasta morir en su tienda en Deptford, una pequeña ciudad a las afueras de Londres, y el cajón del dinero, que contenía diez libras había sido robado. Un tal inspector McNaughton, que había estado aprendiendo a identificar huellas dactilares, estaba entre los que examinaron la escena. Cuando inspeccionó la caja, encontró en la parte de abajo la huella de sudor de un pulgar. La envió para que la identificaran, y aquella prueba pronto condujo al arresto de uno de los dos hermanos responsables del crimen.
Una de las grandes ventajas del ADN sobre las huellas dactilares en este momento es que las pruebas de ADN se pueden almacenar. La base de datos de ADN de aquellos que han tenido encuentros con la justicia ha permitido que la policía revise casos antiguos. Muchos prisioneros han sido liberados basándose en el hecho de que su ADN no coincidía con el encontrado en la escena del crimen, y en muchos casos, los criminales cuyo ADN ha aparecido en el sistema han sido conectados con asesinatos y violaciones cometidos muchos años atrás.
Virus influenza A, el virus que causa la gripe aviar. Micrografía electrónica de transmisión de viriones en tinción negativa (claros sobre fondo oscuro). Fuente: Dr. Frskine Palmer, Imagen de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (Centers for Disease Control and Preventions).
