70 años de la doble hélice: descubrimiento e impacto científico-cultural

“Antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas. Ahora sabemos que está en nuestros genes”

James Watson

La genética se ha convertido en un tema común en la cultura popular; de hecho, a manera de juego, cada vez que voy al cine o veo una serie con mi esposa, le apuesto que en algún momento se va a mencionar al menos un concepto relacionado con la genética y la verdad, generalmente gano. Spiderman obtuvo sus poderes por la mordedura de una araña genéticamente modificada, los X-men son producto de mutaciones que les otorgan habilidades especiales, en Star Wars crearon un ejército de clones, siempre hay algo bueno o malo que los protagonistas heredaron de sus padres y muchos apocalipsis son ocasionados por las travesuras de algún ingeniero genético con una ética cuestionable. 

El mejor ejemplo de la integración de la genética en la sociedad es la icónica imagen de la doble hélice del ADN. Estoy seguro que cualquier estudiante o profesionista de las ciencias naturales identifica sin problema una molécula de ADN cuando la ve, incluso me atrevo a decir que prácticamente cualquier persona con interés en la ciencia es capaz de identificarla.  No solo eso, es probable que muchas personas alejadas de la ciencia reconozcan fácilmente a esa doble hélice que ven en la computadora de un laboratorio futurista durante una película o que encuentran en alguna pizarra mientras buscan objetos ocultos dentro de un laboratorio abandonado en su videojuego favorito. 

Los invito, con motivo de la conmemoración del 70 aniversario del descubrimiento de la doble hélice del ADN por Watson y Crick, a dar un breve repaso de los sucesos científicos que, a pesar de proceder de áreas del conocimiento diferentes, se conjugaron para llegar a identificar esta elegante, sencilla y revolucionaria estructura que impulsó el desarrollo de la biología molecular, la ingeniería genética y la biotecnología moderna.

El inicio del camino: Genes, ADN y Cromosomas

“Hemos descubierto el secreto de la vida”

Francis Crick, 28 de febrero de 1953.

La historia del ADN inicia en tres puntos muy diferentes desde el punto de vista científico, pero temporalmente cercanos: por un lado, Gregor Mendel, un humilde pero inteligente y tenaz fraile agustino, descubría en 1866 las leyes de la herencia a partir de sus investigaciones en guisantes realizadas en un pequeño jardín del Monasterio de Brno en el Imperio austríaco. Es importante resaltar que, aunque en la actualidad los conceptos de gen y ADN están íntimamente relacionados, para Mendel no era así pues él explicó claramente los mecanismos de herencia de los genes sin tener conocimiento de la existencia del ADN o de los cromosomas. Lamentablemente, los extraordinarios resultados de sus investigaciones fueron ignorados por varias décadas. (Puedes encontrar un escrito más detallado sobre Mendel en este mismo blog)

Casi al mismo tiempo, en 1869, un bioquímico de origen suizo llamado Friedrich Miescher que estudiaba los núcleos en células de pus obtenidas de vendajes quirúrgicos, descubría un nuevo compuesto químico que se caracterizaba por tener un alto contenido de fosforo. Debido a su ubicación, llamó a esta sustancia “nucleína” pero hoy sabemos que en realidad era el ácido desoxirribonucleico, mejor conocido como ADN. Las investigaciones sobre la nucleína continuaron por algunos años cuando con resultados muy interesantes; por ejemplo, Edward Zacharias demostró que formaba parte de los cromosomas (1884), Richard Altman descubrió su naturaleza ácida (1889) o Albrecht Kossel y Albert Neumann demostraron que contenía cuatro bases nitrogenadas diferentes (1893). Sin embargo, poco a poco, la comunidad científica dejó de interesarse en el ácido nucleico y no sería hasta la década de 1930 cuando resurgiría con mucha fuerza.

El tercer punto de inicio surgió con el redescubrimiento de las leyes de Mendel en 1900 por Hugo de Vries, Carl Correns y Erich von Tschermak, hecho que formalizó el nacimiento de la genética como una nueva y emocionante ciencia. El rápido crecimiento de la genética llevó a la creación de la teoría cromosómica de la herencia por Theodor H. Boveri y Walter S. Sutton entre 1902 y 1904; esta teoría explica la relación entre los cromosomas y las leyes de la herencia al establecer que los genes son transportados por los cromosomas y que las observaciones realizadas por Mendel sobre los mecanismos de herencia de los genes son perfectamente explicados por la meiosis, un tipo de división celular encargada de distribuir los cromosomas en la formación de gametos (óvulo y espermatozoide).
Grandes científicos, entre los que destaca Thomas Hunt Morgan, se encargaron de confirmar la teoría cromosómica de la herencia a través estudiar los cromosomas de diferentes especies y sobre todo, de la creación de mapas para ubicar la posición de cada gen en su respectivo cromosoma.

En este punto, la genética ya estaba totalmente ligada con los cromosomas, pero aún no pasaba por la mente de los científicos que los hallazgos encontrados por Mendel en las plantas (genes) y los encontrados por Miescher en las células de pus (ADN) podrían estar conectados de alguna manera, sin embargo, esto estaría por cambiar.

El ADN como material hereditario

“Queremos sugerir una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico (D.N.A.). Esta estructura tiene características novedosas que son de interés biológico considerable”

Primera frase del artículo original de Watson y Crick en 1953

A pesar de conocer que los cromosomas contienen ADN y que tienen papel muy importante en la herencia genética, los científicos aun no creían que una molécula tan sencilla como el ADN, formada por solo 4 nucleótidos diferentes (adenina, timina, guanina y citosina) fuera capaz de almacenar la enorme cantidad de información necesaria para formar un organismo completo. De hecho, la mayoría apostaba por las proteínas que, al estar formadas por 20 aminoácidos diferentes, suponían que podían tener la especificada necesaria para ser el material hereditario.

Un descubrimiento muy importante se realizó en 1928 cuando Frederick Griffith identificó el proceso de transformación genética al observar que una bacteria era capaz de transferir una característica específica a otra bacteria por medio un “principio transformante”; otras investigaciones mostraron que era posible realizar la transformación sin necesidad de utilizar células, es decir, que el principio transformante era un compuesto químico.

¿Cuál es este compuesto capaz de transferir genes entre organismos y que podría ser la clave para la herencia genética?

“No ha escapado a nuestra atención que el apareamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un mecanismo de copia para el material genético”

Ultima frase del artículo original de Watson y Crick en 1953

La respuesta llegaría en 1944 cuando Oswald T. Avery y su equipo de trabajo demostraron que el principio transformante era el ADN. En los años siguientes diferentes investigaciones confirmarían que el ADN no solo es el material genético de las bacterias sino también de todos los seres vivos (a excepción los virus de ARN).

La investigación del ADN se intensificó en los años posteriores; se destacan los trabajos de Erwin Chargaff donde se demostró que las cuatro bases que componen el ADN se encuentran en diferentes proporciones en diferentes especies, aunque en una misma especie la proporción es constante en todos los tejidos, de manera que siempre se encontraba la misma cantidad de adenina y timina, así como de guanina y citosina. Toda esta cantidad de información nueva dejaba listo el tablero para la próxima gran batalla: la determinación de la estructura del ADN.

El descubrimiento de la doble hélice

El descubrimiento de la estructura del ADN, más que el resultado de la gran idea de un extraordinario científico, fue el resultado de una intensa carrera entre diferentes grupos de investigación de varios países. Sin duda alguna, el rival a vencer era el grupo norteamericano lidereado por Linus Pauling, uno de los químicos más importantes de la historia, que acababa de descubrir en 1951 la estructura de hélice alfa de las proteínas y sentó las bases para el desarrollo de la cristalografía de rayos X. Sin embargo, en el Reino Unido, James D. Watson y Francis H. C. Crick en el laboratorio Cavendish, así como Maurice Wilkins y Rosalind Franklin en King’s College le pisaban los talones.

Pauling desarrolló un modelo formado por tres cadenas, este error permitió a Watson y Crick descubrir primero la estructura correcta: una hélice que gira hacia la derecha y está formada por dos cadenas complementarias y antiparalelas que se estabilizan mediante puentes de enlace de hidrógeno entre pares de bases complementarias. La clave para este descubrimiento fue la famosa foto 51, tomada por Rosalind Franklin con difracción de rayos X, que fue mostrada por Wilkins a Watson sin el conocimiento de Franklin.

“Así, nuestras ideas generales no son inconsistentes con el modelo propuesto por Watson y Crick en la comunicación anterior”

Rosalind Franklin en su publicación del 25 de abril de 1953

La estructura del ADN propuesta por Watson de 24 años y Crick de 36, fue publicada en el número 171 de la revista Nature el 25 de abril de 1953 en un artículo de una página de extensión con 800 palabras, una figura y seis referencias bibliográficas; este artículo se acompañó́ de otros dos trabajos, uno de Franklin y otro de Wilkins con los resultados obtenidos con la difracción de rayos X.

En 1962, Watson, Crick y Wilkins recibieron el premio Nobel por su trabajo en el modelo de la doble hélice del ADN. Un tema muy discutido ha sido la ausencia de Franklin entre los ganadores; si bien es verdad que en su libro “La doble hélice”, Watson se refiere a Franklin de manera claramente despectiva e incluso grosera, el reglamento del premio Nobel indica que no puede ser entregado de manera póstuma y, lamentablemente, Rosalind murió en 1958 con tan solo 37 años.

“Rosy, por supuesto, no nos dio directamente sus datos. Y para ser honestos, nadie en King’s se dio cuenta de que estaban en nuestras manos”.

Watson en su libro “La doble hélice”

Impacto científico del ADN

 La publicación del modelo de la doble hélice del ADN es uno de los eventos más trascendentes en la historia de la ciencia y fue la base para el nacimiento de la biología molecular. Este modelo contiene todo lo necesario para concebir la naturaleza del gen y del material hereditario como es la duplicación del ADN, el almacenamiento de información genética y su expresión, así como la producción y reparación de mutaciones. Tan solo han pasado 70 años y la biología molecular nos ha permitido conocer la información contenida en el ADN y comprender los mecanismos involucrados para producir las proteínas lo que es fundamental para comprender cómo se forman y funcionan los seres vivos; además, esta emocionante ciencia otorga las bases para el desarrollo de técnicas de ingeniería genética que nos permiten manipular los ácidos nucléicos.

“También nos ha estimulado el conocimiento de la naturaleza general de los resultados experimentales no publicados y las ideas del Dr. M.H.F. Wilkins, Dr. R.E. Franklin y sus colaboradores en el King’s College de Londres”.

Agradecimientos del artículo original de Watson y Crick en 1953

Todos estos conocimientos son utilizados por la biotecnología moderna para la obtención de productos y servicios muy valiosos para la sociedad como son el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, la producción de organismos genéticamente modificados para mejorar cultivos y hacer frente a la crisis alimentaria o microorganismos que eliminen limpien nuestros ambientes contaminados, la producción de vacunas y fármacos altamente específicos, entre muchos más.

Por si fuera poco, el desarrollo de nuevas tecnologías moleculares de investigación como la secuenciación de genomas completos o la edición genética presenta una potencialidad realmente sorprendente; con la primera podemos conocer y analizar enormes cantidades de información genética de muchos organismos en poco tiempo y con la segunda es posible reescribir la información genética con una precisión y sencillez similar a cambiar las letras en un procesador de texto. Día a día nos enteramos de nuevas aplicaciones sorprendentes que nos hacen entender que, en su 70 aniversario, la biología molecular aún tiene mucho camino por recorrer y que, sin lugar a dudas, lo mejor está por llegar.

Referencias:

  • Portin P. The birth and development of the DNA theory of inheritance: sixty years since the discovery of the structure of DNA. J Genet. 2014 Apr;93(1):293-302. doi: 10.1007/s12041-014-0337-4.
  • Watson, J. D., & Martín, A. (1970). La doble hélice. Plaza & Janés.

Artículos publicados el 25 de abril de 1953:

  • Watson JD, Crick FHC. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 1953;171:737-738.
  • Wilkins MHG, Stokes AR, Wilson HR. Molecular structure of deoxypentose nucleic acids. Nature 1953;171:738-740.
  • Franklin RE, Gosling RG. Molecular configuration in sodium thymonuclease. Nature 1953;171:740-741.