La vida es un continuo, afirmó Charles Darwin, cuando publicó su libro titulado "El origen de las especies". Según él, todas las especies tienen un origen común y el Hombre es parte de ellas. Una afirmación revolucionaria para las creencias de la época, pero que hoy se ha visto confirmada, al descubrir la molécula que rige la vida, el ácido desoxirribonucleico (DNA), que es común para todas las especies, desde las más simples y primitivas, como las bacterias y algunos virus, hasta los más complejos, como los mamíferos, incluyendo al Hombre. Es esta molécula la que el Hombre está aprendiendo a manejar y manipular, cambiándola, modificándola y traspasándola de una especie a otra y creando nuevas formas de adaptaciones de vida, que no se habían dado espontáneamente en el proceso de la evolución.

¿Cómo llegamos a esto y quién puso la primera piedra?. Es algo que no podemos contestar y que se pierde en la niebla de los tiempos. La génesis del conocimiento es como el nacimiento de los ríos. Nadie conoce el punto de origen, pero de pronto aparecen cursos y riachuelos, que se van sumando hasta formar caudales cada vez mayores. Al principio, son conocimientos empíricos, que se llegan a conocer por casualidad y que se trasmiten, de generación en generación hasta que alguien descubre el por qué. Así, por ejemplo, la biotecnología, se remonta en los tiempos por miles de años. Los sumerios empleaban los procesos de fermentación para fabricar cerveza seis mil años antes de Cristo. Por las inscripciones en piedras sabemos que los egipcios fabricaban vino y pan con la fermentación de la levadura en el año 4 mil antes de Cristo. Miles de años transcurrieron hasta que Luis Pasteur descubrió a mediados del siglo antepasado, que organismos vivos (levaduras) eran los responsables de la conversión de azúcar en alcohol. Trató de extraer los jugos de estos organismos para que hicieran lo mismo in vitro y falló. Sólo a comienzos de este siglo pasado, Eduard Buchner, de Munich, pudo descubrir que rompiendo las levaduras era posible extraer el jugo que condicionaba la fermentación. Se inició así el conocimiento de las enzimas, proteínas que catalizan reacciones químicas dentro de las células.

Los descubrimientos de la conversión enzimática del alcohol, abrieron el campo para la investigación de toda la enzimología moderna. ¿Cómo es que el músculo logra la energía necesaria para realizar un trabajo?. Era la degradación de la glucosa, que a través de una compleja cadena enzimática, en la misma forma que la levadura convertía el azúcar en alcohol, pero con la diferencia de que el producto final era ácido láctico, en lugar de alcohol y CO2.

Así, entre los años 1940 y 1950, proliferaron los cazadores de enzimas, que las purificaron, las cristalizaron y estudiaron sus mecanismos de acción. Todas ellas son proteínas, formadas por cadenas de aminoácidos y su función en conjunto es acelerar y hacer posible que las reacciones químicas ocurran en el interior de la célula.

Paralelamente se desarrollaron otras disciplinas, como la genética, la microbiología y la fisiología, que iban agregando más y más explicaciones de cómo funcionaba la vida y cómo ésta se trasmitía de una generación a otra. Descubrimientos aislados, unos de otros, fueron poco a poco armando el puzzle de los mecanismos vitales, desechándose así la creencia de la generación espontánea de la vida.


Evolución de la genética

La historia de la genética, se inició con Gregor Mendel, en 1865. Un oscuro monje que trabajaba en su jardín cultivando arvejas, descubrió que las características de ellas se trasmitían de una generación a otra, siguiendo leyes perfectamente establecidas. Su trabajo lo publicó en un periódico local y nadie le dio importancia. En él señaló que los caracteres hereditarios necesariamente tenían que estar representados por unidades o partículas elementales, que conservaban íntegramente sus individualidades y propiedades al pasar de una generación a otra y que ello obedecía a leyes perfectamente establecidas.

Casi simultáneamente, el suizo Friedrich Miescher, descubrió los ácidos nucleicos, llamados inicialmente nucleínas. Estudiando glóbulos blancos del pus de las heridas, encontró una sustancia que no era proteína y que se encontraba en el núcleo de la célula. De allí su nombre, nucleína. Envió su trabajo en 1869, a la revista Hoppe Sayler`s Journal of Medical Chemistry. Desgraciadamente, el Comité Editorial no creyó en su trabajo y rechazó la publicación. Luego vino la guerra franco-prusiana, lo que retardó aún más su publicación, que se concretó, definitivamente, en 1871. Posteriormente, Miescher, utilizó espermios de salmón, ya que ellos son casi sólo material nuclear. No obstante estos hallazgos, no llegaron a relacionar esta nucleína, con la transmisión de la herencia.

El término, ácido nucleico, lo acuñó Richard Altman, un alumno de Miescher, en 1899. Anteriormente en 1870, se observaron los cromosomas que estaban en el interior del núcleo de la célula y se descubrió el fenómeno de la mitosis (división celular). En 1881, Edward Zacharias, demostró que los cromosomas contenían la nucleína de Miescher. Cuatro años más tarde, Hertwig, afirmó que esa nucleína era la que trasmitía los caracteres hereditarios. Esta afirmación no fue aceptada hasta que en 1929, Fred Griffith, la volvió a replantear realizando un experimento ya clásico, en el que transfería las características patogénicas de una bacteria a otra inocua, mediante el traspaso del ácido nucleico.

De allí en adelante, comenzó una carrera por conocer esta molécula maravillosa que era capaz de trasmitir los caracteres hereditarios de una célula a otra o de un organismo a otro. Luego se dispuso del método de difracción de rayos X, que permitió obtener una buena idea de su estructura, hasta que en 1953, Watson y Crick, propusieron el modelo estructural de la doble hélice del ácido desoxirribonucleico (DNA). Para quien se interese por toda esta historia, recomendamos leer el libro escrito por Watson: La Doble Hélice, que para algunos es una versión unilateral de los hechos. Sea de quien sea los méritos, se llegó tal vez a uno de los descubrimientos más trascendentales de la biología. El DNA, se concibe como una estructura espacial que se asemeja a una escalera de cuerdas torcidas en espiral con las cadenas laterales formadas por un azúcar (ribosa o desoxirribosa) y por el ácido fosfórico, mientras que las barras que unen las dos cadenas laterales, a modo de peldaños de la escalera, están constituidas por cuatro bases: dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (citosina y timina) (figura 1). Este trascendental trabajo fue publicado en la revista Nature y sólo ocupó una página.

Es ésta la molécula que regula la herencia y la que hace que los hijos se parezcan a sus padres. El DNA es una molécula gigante que se encuentra en todos los núcleos de nuestras células, al igual que en todas las células vivas de todos los organismos. Es una larga fibra, donde se guarda la información necesaria que controla la vida (figura 2). Cada una de nuestras células, que miden algunas décimas de milímetro, contienen casi dos metros de DNA (si éste se pudiese estirar). Esta larga fibra, se encuentra subdividida en regiones, que se han llamado genes. Un organismo multicelular, como el nuestro, contiene miles de millones de células que en conjunto forman nuestro organismo. Cada célula tiene el mismo DNA, aunque su propia identidad y función sean diferentes. Así, por ejemplo, unos grupos de células se unen para llegar a formar el hígado, otros grupos formaran la piel que cubre nuestro cuerpo. En cada célula hay mucha información que permanece silenciosa y se expresa sólo aquella que es necesaria para la especialización o diferenciación de cada tejido.

El DNA, en el interior del núcleo, está contenido en los llamados cromosomas. Las diferentes especies, tienen distintos números de cromosomas. En la especie humana, cada núcleo celular, tiene 23 pares de cromosomas, los que pueden ponerse claramente en evidencia durante la etapa de división celular, con un microscopio corriente. Sólo se exceptúan los espermios y los óvulos, que no tienen 23 pares de cromosomas, sino 23 cromosomas. De esta forma, cuando un espermio fecunda un óvulo, los 23 cromosomas que aporta el espermio, trasmiten la herencia del padre y se unen a los otros 23 cromosomas del óvulo, que aportan la herencia de la madre. De allí en adelante, todas las células que comienzan a dividirse llevan en su núcleo 23 pares de cromosomas.

Cada uno de los cromosomas es perfectamente distinguible por su tamaño, forma y ubicación de una escotadura, llamada centrómero. De acuerdo a estas características, los cromosomas de las células humanas se han numerado del 1 al 22, además de los cromosomas sexuales. La mujer tiene dos cromosomas sexuales que se denominan XX y el hombre uno X y otro más pequeño denominado Y (figura 3). Progresos más recientes, permiten aun diferenciarlos mejor mediante la tinción de las bandas de cada uno de los cromosomas. En el interior de cada uno de estos cromosomas, se encuentra el DNA, que contiene los genes, según se puede observar en el dibujo imaginario (figura 4). Estos genes son los que en último término determinan la herencia de los caracteres y el traspaso de ellos de una generación a otra.


Traducción del mensaje genético

Es evidente que el mecanismo por el cual los genes regulan la transmisión genética, es a través de gobernar la síntesis de las proteínas.

De acuerdo a Linus Pauling (Premio Nobel 1956), el organismo humano tiene que sintetizar de 50.000 a 100.000 proteínas diferentes y ellas son las que caracterizan a los seres vivos. La síntesis de todas estas proteínas está comandada por los genes y existiría un gen específico para la síntesis de cada una de ellas. En otras palabras, el óvulo y el espermio llevan dentro de sus cromosomas toda esta batería genética que va a comandar la síntesis de las proteínas necesarias para el ser humano, y que a través de diversas divisiones celulares llega a constituirse en el ser definitivo.

Las proteínas son moléculas fundamentales en la vida de todos los seres vivos de la tierra. Ellas están constituidas por cadenas de unidades más pequeñas, llamadas aminoácidos, los que son como los eslabones de una cadena. Las 100.000 proteínas que, por ejemplo, necesita sintetizar el ser humano, son todas diferentes entre sí. El largo de la cadena es diferente (lo que se puede determinar por el peso molecular de cada proteína aislada), como también es la secuencia, formada por los 20 aminoácidos que son estructuralmente distintos.

Una proteína se diferencia de otra, por estas características, lo que especifica su formación, siendo estas propiedades las que controlan cada gen.

Al fecundar el espermio al óvulo se completan los 22 pares de cromosomas homónimos. De allí en adelante, todas las células que se van dividiendo tienen la información genética completa, lo que se va manteniendo a través de las sucesivas divisiones celulares. El traspaso de esta información de célula a célula se realiza al dividirse los cromosomas. A nivel molecular del DNA, lo que sucede es la replicación de cada una de estas moléculas.

De acuerdo a la estructura del DNA descrito, se produce una apertura de las cadenas laterales separándose las bases (figura 5 A). Cada una de estas cadenas va a servir de molde, para formar el mismo DNA en las dos células resultantes. Esto sucede porque siempre, frente a una base determinada, se coloca otra base precisa. Es decir, frente a la adenina, siempre va a colocarse la timina y frente a la citosina, la guanina. En esta forma, al dividirse la célula, en cada cromosoma, cada gen volverá a tomar la misma estructura del DNA original, y por lo tanto, la misma información genética.


Síntesis de proteínas

El proceso recién descrito se denomina replicación del DNA y su objetivo es mantener la misma información genética a través de todas las divisiones celulares.

Lo que más ha preocupado a los investigadores, es cómo esta información mantenida a través de esta replicación del DNA puede llegar a regular la síntesis de 100.000 proteínas diferentes, que serían las necesarias para mantener la vida del Hombre.

El DNA se encuentra en los cromosomas en el interior del núcleo de cada célula (célula eucariote); la síntesis de proteínas, en cambio, se realiza en el citoplasma de la célula, en unos pequeños corpúsculos denominados ribosomas. En otras palabras, la información genética necesaria para sintetizar una determinada proteína debe salir del núcleo y atravesar el citoplasma hasta llegar a los ribosomas. Este proceso, se llama transcripción de la información.

El proceso de transcripción se inicia en el interior del núcleo. Allí, el DNA se abre nuevamente en sus cadenas laterales y se copia, de una sola de las hebras, una nueva molécula que va a llevar la información hasta los ribosomas (figura 5 B). Se forma el ácido ribonucleico (RNA), que es una copia exacta del DNA, con la diferencia de que la base timina (T) es reemplazada por una nueva, el uracilo (U), que también se parea con la adenina (A).


Ribosomas

Una vez sintetizado, el RNA sale del núcleo y se dirige al ribosoma, lugar en que se sintetiza la proteína. Por el hecho de llevar la información se llama RNA mensajero.

No fue fácil descubrir en qué forma este RNA mensajero podía trasmitir la información para sintetizar la proteína ya que en el fondo se trataba de dos lenguajes diferentes. El RNA mensajero tiene sólo cuatro letras G, C, A y U (guanina, citosina, adenina y uracilo), mientras que para formar una proteína hay que ordenar una cadena de 20 aminoácidos diferentes. Los dos idiomas debían conectarse con un intérprete y fue Francis Crick (Premio Nobel 1962), el que describió el RNA de trasferencia como la molécula intérprete.

Basándose en esto, una serie de científicos comenzaron a dedicarse al estudio de lo que se llamó el Código genético. Se formó el Club del RNA, cuyos miembros eran 24 (veinte para los aminoácidos y cuatro para las bases). El Club inició sus estudios y discusiones teóricas tendientes a proponer un posible código genético. Así insinuaron, y más tarde demostraron, que el RNA de trasferencia tenía tres bases específicas (tripletes o codon) y que combinando estas tres bases podían identificar los 20 aminoácidos. La comprobación de estas ideas se debió al trabajo espectacular de tres grupos de investigadores: el de Marshall Niremberg, el de Severo Ochoa y el de Gobin Khorana (figura 6).

A partir de tres bases se pueden formar 64 combinaciones diferentes (codones). Fue posible definir así qué combinaciones identificaban a los 20 aminoácidos. Con todo, sobraban tres codones que no codificaban, por lo que se les llamó codones sin sentido. Años más tarde se descubrió que sí tenían sentido y que desempeñaban una importante función de puntuación ya que señalaban el término de la síntesis normal de una proteína.

El código, enteramente descifrado, permitió conocer de qué forma, a partir de cuatro bases, se podían individualizar los 20 aminoácidos necesarios para sintetizar las proteínas. En ocasiones, para un determinado aminoácido es un codon y para otros son dos o tres codones los que lo identifican.


Conclusiones

La dilucidación del código genético constituyó uno de los hechos más relevantes del siglo pasado, ya que sus proyecciones son incalculables. Su conocimiento ha significado un gran progreso en la biología molecular y en la genética, abriendo enormes posibilidades futuras. Este código, tan simple, de cuatro letras, es común para todas las especies vivas y rige todos los mecanismos biológicos guardando toda la información necesaria para la síntesis de las proteínas (incluyendo las enzimas). En la figura 7 se esquematizan las dos etapas fundamentales de este proceso: la transcripción y la traducción.



Bibliografía

(1) Anderson, W.F. y Dicumakos, E.G.: Genetic Engineering in Mamalian Cells. Sc. Am 247:106, 1982.

(2) Drlica, K.: Cloning. John Wiley and Sons Eds. New York, 1980.

(3) Grobstein, C.: A Doble Image of the Double Helix. W.H. Freeman and Company, Ed., San Francisco, 1979.

(4) Lewin, B. Genes. Second Edition. John Wiley and Sons Eds. New York, 1985.

(5) Watson, J.D.: The Double Helix (Gunther Stent Ed) W.W. Norton and Co. New York, 1980.