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Carlos del Porto Blanco

Casi todos los aspectos de la vida se organizan en el nivel molecular, y si no entendemos las moléculas nuestra comprensión de la vida misma será muy incompleta. Francis Crick

El ADN, o ácido desoxirribonucleico, es la molécula que contiene la información genética fundamental para el desarrollo, funcionamiento y reproducción de todos los seres vivos, incluidos algunos virus. Desde el color de nuestros ojos hasta la predisposición a ciertas enfermedades, el ADN es quien guarda las instrucciones de la vida. Pero, ¿qué es exactamente? ¿Cómo se descubrió? Y ¿por qué es tan importante? A dar respuestas a algunas estas preguntas dedicaré la columna de esta semana.

Orígenes del descubrimiento

La historia de la biología moderna está indisolublemente unida con el descubrimiento del ácido desoxirribonucleico, ADN. Ese polímero, que lleva la información genética esencial para la vida, revolucionó la comprensión de la herencia, la evolución y la base molecular de las enfermedades. Desde el descubrimiento de sus estructuras en el siglo XX hasta los avances recientes en la edición genética, el ADN es el pilar sobre el cual se construye una nueva era en las ciencias biomédicas y de la vida.

La historia del ADN comienza en 1869, cuando el médico suizo Friedrich Miescher, que trabajaba en la Universidad de Tubinga, aisló, por primera vez, una sustancia fosforada desconocida en el núcleo de las células mientras realizaba experimentos acerca de la composición química del pus de vendas quirúrgicas desechadas, en ellas notó un precipitado de una sustancia desconocida a la que caracterizó químicamente más tarde. A esa sustancia la llamó nucleína, debido a que lo había extraído a partir de núcleos celulares. Ese hallazgo marcó el inicio de una larga travesía científica para descifrar la naturaleza y función de esa molécula.

En 1909 Phoebus Levene identificó que un nucleótido estaba formado por una base nitrogenada, un azúcar (desoxirribosa) y un fosfato. Se sugirió que el ADN generaba una estructura con forma de solenoide (muelle) con unidades de nucleótidos unidos a través de los grupos fosfato. En 1930 Levene y su profesor Albrecht Kossel probaron que la nucleína de Miescher era un ácido desoxirribonucleico (ADN) formado por cuatro bases nitrogenadas (citosina (C), timina (T), adenina (A) y guanina (G), el azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato, y que, en su estructura básica, el nucleótido está compuesto por un azúcar unido a la base y al fosfato. Sin embargo, Levene pensaba que la cadena era corta y que las bases se repetían en un orden fijo. Kossel ganó el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1910. La secuencia de las bases nitrogenadas determina la información genética. En los seres humanos, el ADN contiene aproximadamente 3 mil millones de pares de bases. Si se estira el ADN de una sola célula humana, mediría dos metros.

Puede ser una imagen de texto que dice "Basepairs Base pairs Adenine Thymine Guanine Cytosine Sugar phosphate backbone U.S. National Library of Medicine"

Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos

La función biológica del ADN comenzó a dilucidarse en 1928, con una serie de experimentos básicos de la genética moderna que realizó Frederick Griffith, quien trabajaba con cepas lisas (S) o rugosas (R) de la bacteria Pneumococcus (causante de la neumonía). La inyección de neumococos S vivos en ratones producíae la muerte de estos, y Griffith observó que, si inyectaba a ratones con neumococos R vivos o con neumococos S muertos por calor, los ratones no morían. Sin embargo, si inyectaba a la vez neumococos R vivos y neumococos S muertos, los ratones morían, y de su sangre se podían aislar neumococos S vivos. Como las bacterias muertas no pudieron haberse multiplicado dentro del ratón, Griffith razonó que debía producirse algún tipo de cambio o transformación de un tipo bacteriano a otro por medio de una transferencia de alguna sustancia activa, que denominó principio transformante.

Esa sustancia proporcionaba la capacidad a los neumococos R de transformarse en virulentos. En los siguientes 15 años, esos experimentos iniciales se replicaron mezclando distintos tipos de cepas bacterianas muertas por el calor, con otras vivas, tanto en ratones (in vivo) como en tubos de ensayo (in vitro). La búsqueda del factor transformante que era capaz de hacer virulentas a cepas que inicialmente no lo eran continuó hasta 1944, año en el cual Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty realizaron un experimento hoy clásico. Esos investigadores extrajeron la fracción activa (el factor transformante) y, mediante análisis químicos, enzimáticos y serológicos, observaron que no contenía proteínas, ni lípidos no ligados, ni polisacáridos activos, sino que estaba constituido principalmente por “una forma viscosa de ácido desoxirribonucleico altamente polimerizado”, es decir, ADN. El ADN extraído de las cepas bacterianas S muertas por el calor lo mezclaron in vitro con cepas R vivas: y el resultado fue que se formaron colonias bacterianas S, por lo que se concluyó inequívocamente que el factor o principio transformante era el ADN.

En 1937 William Astbury produjo el primer patrón de difracción de rayos X que mostraba que el ADN tenía una estructura regular. Décadas después, el patólogo alemán Richard Altmann renombró la nucleína como «ácido nucleico». En 1949, Erwin Chargaff encontró que la cantidad de adenina siempre era igual a la de timina, y la de guanina igual a la de citosina, una clave esencial para entender la estructura de la molécula.

El papel exclusivo del ADN en la heredabilidad fue confirmado en 1952 mediante los experimentos de Alfred Hershey y Martha Chase, en los cuales comprobaron que el fago T2 transmitía su información genética en su ADN, pero no en su proteína.

El gran salto llegó en 1953, cuando el biólogo estadounidense James Watson y el físico británico Francis Crick, en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, apoyados en los trabajos previos de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, descifraron la estructura de doble hélice del ADN, una especie de escalera de caracol que permite la replicación y transmisión de la información genética. Watson y Crick publicaron su hallazgo el 25 de abril de 1953 en la revista Nature. El artículo tenía solo 900 palabras, pero cambió para siempre la comprensión de la vida Ese descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1962.

Debe destacarse que la contribución de Rosalind Franklin ha sido históricamente subestimada. La imagen Foto 51, tomada por ella junto con Raymond Gosling, fue crucial para deducir la estructura helicoidal. Desafortunadamente, Franklin falleció de cáncer de ovarios en 1958, siendo muy joven, y no pudo compartir el Premio Nobel, que fue otorgado a Watson, Crick y Wilkins.

Sin embargo, hay que mencionar que Franklin no compartió directamente su fotografía con Watson y Crick, ya que ella estaba trabajando en el King’s College de Londres y ellos en Cambridge. Fue Maurice Wilkins, compañero de laboratorio de Franklin, quien mostró la imagen a Watson sin el consentimiento de ella. Esa situación ha generado polémica y ha hecho reflexionar sobre la falta de reconocimiento que Franklin recibió por su contribución al descubrimiento del ADN.

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Getty Images. James Watson y Francis Crick con su famoso modelo de la estructura del ADN

Con la estructura del ADN comprendida, la siguiente gran pregunta era ¿cómo ese material genético era responsable de los rasgos heredados? El descubrimiento de los genes como segmentos específicos del ADN resultó fundamental para la genética moderna. A medida que los científicos exploraban la relación entre el ADN y las características hereditarias, se desarrolló la teoría de que las secuencias de nucleótidos en el ADN determinan la producción de proteínas, que a su vez configuran las características fenotípicas de los organismos.

En la década de 1960, el dogma central de la biología molecular fue formulado por Francis Crick, que estableció que la información fluía en una dirección: del ADN al ARN y luego a las proteínas, estableciendo así un modelo claro sobre cómo se expresan los genes. Ese hallazgo fue fundamental para el avance de la genética y llevó a una mejor comprensión de enfermedades genéticas y trastornos hereditarios, así como a la identificación de mutaciones que pueden causar cáncer o condiciones congénitas. Por ejemplo, si su ADN tiene una variante específica en el gen MC1R, es probable que tenga el cabello rojo o que el gen BRCA1, está relacionado con el cáncer de mama, por lo que puede heredarse de padres a hijos.

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Ubicación y estructura del ADN en una célula eucariota. Durante la división celular, el ADN se agrupa en cromosomas. El resto del tiempo, se encuentra disperso en forma de cromatina.

Desarrollos actuales

Con el transcurrir del tiempo, el estudio del ADN ha continuado avanzando. La invención de técnicas como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) en los años 80 permitió copiar fragmentos específicos de ADN rápidamente. En 2003, se completó el Proyecto del Genoma Humano, que mapeó todos los genes del ser humano, un logro que abrió puertas a la medicina personalizada y a la comprensión de muchas enfermedades genéticas.

A medida que los conocimientos sobre el ADN y la genética continúan expandiéndose, también lo hacen las implicaciones que esos descubrimientos tienen en la sociedad. La medicina personalizada, donde las terapias se adaptan a la composición genética de cada individuo, es una de las áreas prometedoras que se benefician de los avances en la comprensión del ADN. La investigación en tratamientos contra el cáncer, enfermedades raras y trastornos hereditarios se desplaza hacia un futuro donde el entendimiento genético será crucial, ya lo está siendo, para mejorar la calidad de vida de millones de personas.

Sin embargo, debe existir conciencia de los dilemas éticos que acompañan a esos avances. La posibilidad de que se realicen modificaciones genéticas en embriones humanos plantea serias interrogantes sobre la naturaleza de la humanidad y lo que significa ser humano. ¿Se está preparado para afrontar las consecuencias de crear humanos a medida? ¿O debería imponerse una regulación más estricta sobre esas tecnologías para garantizar que se utilicen de manera responsable y ética? Esas son preguntas críticas que la comunidad científica, los éticos y la sociedad en su totalidad deben considerar a medida que se avanza hacia el futuro.

Hoy, el ADN se usa en:

  • Medicina personalizada (tratamientos basados en genes).
  • Criminalística (para resolver crímenes con pruebas forenses).
  • Pruebas de paternidad: Comparando secuencias de ADN, se puede determinar con alta precisión quién es el padre biológico de una persona.
  • Genealogía: Plataformas como 23andMe o Ancestry permiten conocer los orígenes étnicos analizando el ADN.
  • Terapias génicas: Se desarrollan tratamientos para enfermedades como la anemia falciforme o ciertos tipos de cáncer modificando el ADN directamente.
  • Medicina forense: Las muestras de sangre, saliva o cabello pueden ayudar a identificar a criminales o víctimas mediante huellas genéticas. Un ejemplo de esto se produjo en 2018, cuando la policía arrestó al asesino del Golden State Killer gracias a una base de datos de ADN familiar.

Actualmente, los estudios que se realizan en filogenia toman como base los cambios en el ADN, a partir de los cuales se pueden extraer conclusiones. Por eso, uno de los aspectos más curiosos del ADN, que parece incurrir en una contradicción, es que la molécula es, en sí misma, un avance evolutivo.

Esa aparente contradicción no es tal, puesto que la evolución biológica es un proceso mucho más extenso que la simple acumulación de cambios en el ADN. Que el ADN sea la forma que tienen los seres vivos de almacenar la mal llamada “información” genética no implica que siempre haya sido así, organismos que empleen otras moléculas como sistema de almacenamiento de ese mensaje genético también pueden evolucionar.

Un ejemplo de esto son los virus —entidades que se encuentran en el límite entre lo vivo y lo inerte— cuyo material genético es ARN, e igualmente evolucionan. La evolución biológica es, en ese sentido, el proceso por el cual las poblaciones de organismos cambian a lo largo de las generaciones, a partir de una variación natural en sus rasgos y una posterior selección ambiental de los más aptos. Esos cambios se acumulan, sin importar de qué manera estén codificados o qué molécula utilicen como material genético.

Puede ser una imagen de rayos X

La molécula de ARN tiene menos longitud y es más sensible a mutaciones que la de ADN. — Artur Plawgo/iStock

El ADN tiene varias ventajas evolutivas respecto al ARN. Por un lado, es una molécula más estable, por lo que las mutaciones se dan con menos frecuencia. Además, permite crear cadenas más largas, que pueden replegarse sobre sí mismas con más facilidad. Las ventajas evolutivas, pues, parecen evidentes. Entre el ARN y el ADN existen dos diferencias fundamentales: el ARN tiene en su estructura un azúcar del grupo de las pentosas, llamado ribosa, mientras que el ADN presenta una desoxirribosa —una ribosa que ha perdido un oxígeno—. Por otro lado, el ARN emplea el uracilo como base nitrogenada pirimidínica asociada a la adenina, mientras que el ADN emplea la timina.

Edición genética: CRISPR y la revolución biotecnológica

En la última década, se ha sido testigos de un cambio radical en el tratamiento y manipulación del ADN gracias a la tecnología de edición genética conocida como CRISPR-Cas9. Esa técnica se basa en un sistema inmunológico natural que utilizan algunas bacterias para eliminar virus. La facilidad con la que se puede programar CRISPR permite a los científicos realizar cambios precisos en el ADN de organismos, incluyendo plantas, animales y humanos. Eso no solo ha abierto nuevas fronteras en la investigación genética, sino que también ha suscitado un debate ético sobre el potencial de diseñar seres humanos y modificar características hereditarias.

La aplicación de CRISPR en la investigación ha dado lugar a adelantos en áreas como la agricultura, donde se pueden cultivar plantas resistentes a enfermedades y condiciones adversas. Sin embargo, su uso en la investigación clínica y en posibles terapias para enfermedades genéticas ha generado desafíos éticos significativos, planteando preguntas sobre cómo, cuándo y quién debería tener acceso a la modificación de genes. Mientras continuamos explorando el potencial de ADN y la edición genética, es fundamental mantener un diálogo ético y regulatorio en torno a esta poderosa herramienta.

Algunas curiosidades

  • Una de las historias más fascinantes detrás del descubrimiento del ADN es la de la «Foto 51». En 1952, la química británica Rosalind Franklin, experta en cristalografía, obtuvo una imagen de difracción de rayos X que revelaba la forma helicoidal del ADN. Esa imagen fue clave para que Watson y Crick pudieran construir su modelo, aunque Franklin no pudo recibir el reconocimiento, ya que falleció antes de la entrega del Nobel.
  • La proeza de Watson y Crick: Algunos colegas pensaban que eran demasiado jóvenes y poco ortodoxos para resolver el misterio del ADN. Watson tenía solo 23 años cuando trabajaba en el proyecto.
  • El ADN en la ficción: El éxito del libro y película “Parque Jurásico” popularizó la idea de clonar dinosaurios usando ADN antiguo. Aunque es un tema apasionante, en la realidad, el ADN no sobrevive millones de años intacto.
  • Una anécdota interesante es la del «Caso de la oveja Dolly» en 1996, el primer mamífero clonado a partir de una célula adulta, lo que demostró el potencial del ADN para la reproducción y la investigación genética. En 2018, los científicos lograron editar genes en embriones humanos usando la tecnología CRISPR, abriendo debates éticos sobre la modificación genética.
  • El ADN humano y el de un chimpancé: Somos genéticamente un 98.8% iguales a nuestros parientes primates más cercanos.
  • ADN artificial: En 2019, científicos británicos crearon un organismo con ADN sintético, marcando un hito en la biología sintética.
  • Día Internacional del ADN, que se celebra cada 25 de abril para conmemorar tanto el descubrimiento de la estructura de doble hélice como la culminación del Proyecto Genoma Humano en 2003, un hito que permitió descifrar la secuencia completa de genes humanos.

Algunas fechas significativas

  • 1869: Friedrich Miescher descubre lo que hoy conocemos como ADN.
  • 1909: Phoebus Levene identificó que un nucleótido estaba formado por una base nitrogenada, un azúcar (desoxirribosa) y un fosfato.
  • 1910: Albrecht Kossel ganó el Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1910 por sus contribuciones al conocimiento de la química celular, realizado mediante su trabajo sobre proteínas incluyendo sustancias nucleicas.
  • 1928: La función biológica del ADN comienza a dilucidarse con una serie básica de experimentos de la genética moderna realizados por Frederick Griffith.
  • 1937: William Astbury produjo el primer patrón de difracción de rayos X que mostraba que el ADN tenía una estructura regular.
  • 1944: Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty demostraron que el ADN, y no las proteínas, era el material hereditario.
  • 1949: Erwin Chargaff encontró que la cantidad de adenina siempre era igual a la de timina, y la de guanina igual a la de citosina.
  • 1952: la química británica Rosalind Franklin, experta en cristalografía, obtuvo una imagen de difracción de rayos X que revelaba la forma helicoidal del ADN. Foto 51.
  • 1952: Alfred Hershey y Martha Chase confirman el papel exclusivo del ADN en la heredabilidad.
  • 1953: Watson y Crick describen la estructura de doble hélice del ADN.
  • 1962: Maurice Wilkins, James Watson y Francis Crick, reciben el Premio Nobel de Medicina o Fisiología (sin incluir a Rosalind Franklin, por haber fallecido).
  • 1977: el científico Frederick Sanger desarrolló un método para secuenciar el ADN, lo que permitió leer su código genético.
  • 1984: el científico Alec Jeffreys descubrió el perfil de ADN, una técnica que revolucionó la criminología al permitir la identificación de personas mediante su material genético.
  • 2003: Se completa el Proyecto Genoma Humano, que mapeó todo el ADN humano y se había iniciado en 1990.
  • 2018: Uso de CRISPR para editar genes en embriones humanos.
  • 25 de abril 1953: Día del ADN, en conmemoración de la publicación de la estructura del ADN por James Watson y el físico británico Francis Crick en Nature.

Para finalizar

El ADN es mucho más que una molécula: es el soporte físico de la herencia y la base de la diversidad biológica. Su descubrimiento y comprensión marcaron un antes y un después en la ciencia, abriendo puertas a avances médicos, biotecnológicos y forenses, y recordando que, en lo esencial, todos compartimos el mismo código de la vida. Como dijo el etólogo británico Richard Dawkins: «Somos máquinas de supervivencia para nuestros genes.» Y esos genes están escritos en el lenguaje del ADN.

Referencias.

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