70 años de la doble hélice

Mario Enrique Zurita Ortega

Hoy en día, la estructura tridimensional del ADN (o ácido desoxirribonucleico) es la más conocida de todas las moléculas biológicas. En programas científicos de difusión, películas, series de televisión, y hasta en telenovelas de repente aparece una pantalla de computadora mostrando versiones del modelo de la doble hélice de ADN. Muchos la consideran la molécula más hermosa que se seleccionó en la evolución sobre los albores de la vida, pero la doble hélice no fue siempre parte de nuestra cultura popular; hasta la década de 1950 su estructura era aún desconocida.

La estructura de la ‘forma B’ del ADN, es muy elegante y se puede dibujar con diferentes estilos. El más conocido ilustra a esta molécula con 2 listones que simulan las cadenas antiparalelas de azúcares (desoxirribosas) unidas por enlaces fosfodiéster. En ellas, los palitos representan los componentes químicos conocidos como “bases”, correspondientes a cada nucleótido, que unen a los dos listones a través de puentes de hidrógeno entre sus pares complementarios, formando la doble hélice (Figura 1). De hecho, este fue el diseño publicado el 25 de abril de 1953 en el artículo original de James Watson y Francis H. Crick en la revista científica Nature, dibujado por Odile Crick, esposa de Crick (1).

El ADN es una molécula que ha motivado a varias generaciones de investigadores e instituciones; también ha fascinado a famosos artistas, en particular a Salvador Dalí, el pintor surrealista y aficionado a las ciencias que, desde el momento en que se hizo pública la estructura del ADN, se obsesionó con ella. Es por ello qué, en 1957, realizó una obra que actualmente forma parte de una colección privada, a la que llamó “Paisaje de mariposas (El gran masturbador en un paisaje surrealista con ADN)”. La pintura tiene una doble hélice de la que emergen mariposas y que años más tarde fue inspiración para la portada de la revista Nature Genetics (Figura 2).

Recuerdo muy bien una entrevista a Dalí transmitida a fines de los años setenta, en la que él terminó diciendo: “la estructura tridimensional del ácido desoxirribonucleico es la prueba irrefutable de la existencia de Dios”, lo repetía cada vez que podía, y creo que la estructura del ADN le causaba algún tipo de conflicto.

A partir del conocimiento de la estructura de la molécula que lleva nuestros genes, despertó un gran interés en la sociedad casi de forma instantánea, y sus repercusiones siguen teniendo impacto en la actualidad. Por ejemplo, durante la reciente pandemia provocada por el del SARS-Cov2, casi todo mundo aprendió que un PCR se trata de hacer mucho ADN en un tubito. Sin embargo, lo más importante de la publicación del artículo de Watson y Crick, fue el inicio de una etapa en la ciencia que catapultó a la Biología Molecular, tal vez como la principal protagonista de las Ciencias Biológicas, en la segunda mitad del siglo XX. Es preciso aclarar que la Biología Molecular no inició con el artículo de Watson y Crick, sino años antes por los trabajos de Max Delbrück y de otros investigadores, no obstante, fue a partir de este último trabajo que se comenzaron a responder preguntas que antes no se tenía idea de cómo abordar.

El modelo de una doble hélice sugirió cómo la información genética puede ser almacenada y trasmitida, así como posibles mecanismos de cómo podía copiarse, lo que llevó a Matthew Meselson y a Franklin Stahl a realizar su famoso experimento, aún considerado por muchos cómo el experimento más elegante en Biología Molecular, en el que demuestran que la replicación del ADN ocurre de manera semiconservativa, esto es, que cada cadena de la doble hélice del ADN funciona como molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria (2). De hecho, este experimento fue también una de las pruebas de que el modelo de Watson y Crick era correcto. Increíblemente no les otorgaron el premio Nobel por este descubrimiento. Al que sí le dieron el premio Nobel fue a Arthur Kornberg por descubrir, años más tarde, la existencia de una enzima que era capaz de replicar ADN in vitro (3).

A partir de 1953 se pudieron diseñar experimentos en los que se demostró que el ADN era la molécula molde para sintetizar al ARN y que, dentro de los diferentes tipos de ARN, hay uno que transmite la información para que se sinteticen proteínas: el llamado ARN mensajero. Es importante recordar que también dentro de los descubridores del ARN mensajero, participaron James Watson y Francis H. Crick, junto con Sidney Brenner, François Jacob y Walter Gilbert, entre otros (4,5). No hubo un premio Nobel por este descubrimiento, tal vez otro premio Nobel a Watson y Crick no era políticamente correcto. Sin embargo, Jacob, Gilbert y Brenner terminaron siendo premiados con un Nobel por diferentes aportaciones a lo largo de su carrera.

En años recientes, estos avances científicos han sido especialmente evidentes debido a los desafíos presentados por la pandemia del SARS-Cov2. Gracias a numerosas investigaciones básicas, desarrollos tecnológicos y pruebas sanitarias, ahora muchas personas son conscientes de la existencia de vacunas basadas en ARN mensajero, las cuales han demostrado buenos resultados.

Además de sugerir mecanismos de trasmisión de la información genética, la estructura tridimensional del ADN también mostró el camino para determinar cómo una secuencia de bases nucleotídicas puede trasmitir la información para que se genere una proteína, esto es, una cadena de aminoácidos. Nuevamente, quiénes descubrieron que cada aminoácido es codificado por un triplete de bases en el ADN fueron Francis Crick y Sindey Brenner. Para lograrlo, usaron ingeniosos experimentos de mutagénesis de una sola base al azar con el bacteriófago T4 (6). Esto permitió que años más tarde Nirenberg, Khorana y Holley descifraran el código genético (7).

Podemos explorar otros avances científicos significativos, como el descubrimiento del modelo del operón, la identificación de las RNA polimerasas, el desarrollo de la técnica de PCR, el hallazgo de la transcriptasa reversa, el desarrollo de la Ingeniería Genética, la secuenciación del genoma humano y el de casi cualquier organismo, incluidos algunos extintos, y más recientemente, la revolucionaria tecnología CRISPR/Cas, solo por mencionar algunos ejemplos. Estos logros representan importantes hitos en la investigación científica y han transformado significativamente nuestra comprensión y capacidad de manipulación de los sistemas biológicos.

Como podemos ver, el descubrimiento de la estructura del ADN tuvo y sigue teniendo grandes repercusiones en la Biología Molecular, pero también en prácticamente todas las áreas de la Biología. Las herramientas que han desarrollado los biólogos moleculares han sido aprovechadas para estudios y aplicaciones en distintas áreas de la ciencia, como son, la Evolución, Inmunología, Ecología, Taxonomía, entre otras. Asimismo, algunas de las herramientas más importantes, o tal vez las más importantes de la Biotecnología moderna, son producto de estos avances.

Existen muchas publicaciones relacionadas con el modelo del ADN, desde libros y documentales, hasta películas sobre su historia. Como muchos de los grandes descubrimientos, no está alejado de controversias y con una gran diversidad de opiniones. Lo excepcional de la publicación de abril de 1953, es el ejercicio intelectual realizado por los autores para proponer un modelo que resultó ser correcto. Fue un trabajo completamente teórico basado en información que fueron recopilando, analizando y encajando en su modelo.

En la actualidad se acepta que las evidencias experimentales más importantes que permitieron a Watson y Crick generar el modelo sobre la forma del ADN fueron tres:

1. La información disponible en ese momento apuntaba a que la estructura tendría que ser helicoidal. Es más, el gran químico Linus Pauling también trabajó sobre la forma del ADN, aunque su modelo resultó en una triple hélice.
2. Los datos de complementariedad entre las bases que componen al ADN que obtuvo Erwin Chargaff, el cual afirmó que, en el ADN de cualquier especie, las proporciones de adenina y timina son iguales, así como las proporciones de citosina y guanina (8).
3. Los datos por difracción de rayos X de cristales de la ‘forma B’ del ADN generados por Rosalind E. Franklin y Raymound G. Gosling (9), la famosa “fotografía 51” que Maurice Wilkins le mostró a James Watson. Este último la memorizó y al discutirla con Crick llegaron a la conclusión de que era una doble hélice, aunque Wilkins también dedujo que era una doble hélice.

Considerando la carrera que hubo entre algunos grupos de investigación para descubrir la estructura del ADN, es justo suponer que Rosalind F. Franklin también merecía el premio Nobel, aunque desafortunadamente murió antes de 1962, que fue el año en que Watson y Crick recibieron este reconocimiento por el descubrimiento de la estructura del ADN. Pasaron 9 años desde su publicación en 1953 para que la Academia de Ciencias de Suecia les otorgara el Nobel, pues fue hasta que diferentes investigadores demostraron que el modelo era correcto. Sin embargo, queda la incógnita si a Franklin también le habrían otorgado este prestigioso premio. Personalmente, considero que sí, pero nunca podremos saber con certeza la respuesta.

Por su parte, Chargaff siempre reclamó que también él era merecedor del premio Nobel, lo cual se discute menos. Sin embargo, lo importante es que, a partir de este artículo la Biología cambió. De hecho, cuando se cumplieron los 50 años de la publicación de la estructura del ADN, la revista Nature publicó un número especial (10) con los artículos de Watson y Crick, y de Wilikins y Franklin, originalmente publicados en el mismo número de la revista en 1953. Nature menciona que a partir de este artículo el número de publicaciones relacionados con el ADN aumentó significativamente.

En conclusión, el modelo de la estructura del ADN continuará generando fascinación e inspiración, impulsándonos a aprender más sobre los mecanismos de trasmisión de la información genética; sobre cómo se regulan los genes en el tiempo y el espacio; así como las enfermedades que se generan cuando el ADN se ve afectado, con el objetivo de buscar cómo repararlo en el individuo. Preguntas viejas que aún no han sido totalmente contestadas y muchas nuevas que surgen al querer contestar las viejas.

En el futuro, se espera el desarrollo de nuevas técnicas que permitirán estudiar con mayor precisión los mecanismos que gobiernan al ADN. Estas nuevas herramientas complementarán las ya existentes, que son altamente sofisticadas; además, es probable que estas innovaciones sean útiles para otros campos de la Biología, cómo ha ocurrido anteriormente. En consecuencia, la Biología Molecular continúa avanzando y es emocionante observar y tratar de participar en este progreso.

Referencias:

1. Watson, J. y Crick, F. (1953). Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171, 737–738 (1953). DOI: https://doi.org/10.1038/171737a0
2. Meselson, M. y Stahl, F. (1958). The Replication of DNA in Escherichia coli. PNAS. 44 (7): 671–682. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.44.7.671
3. Lehman, I., Bessman, M., Simms, W. y Kornberg, A. (1958). Enzymatic Synthesis of Deoxyribonucleic Acid: I. Preparation of substrates and partial purification of an enzyme from Escherichia coli. J Biol Chem. 233: 163-167. PMID: 13563462.
4. Brenner S., Jacob F., Meselson M. (1961). An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis. Nature. 190: 576-581. DOI: 10.1038/190576a0
5. Gros, F., Hiatt, H., Gilbert, W., Kurland, C., Risebrough, R. y Watson, J. (1961). Unstable ribonucleic acid revealed by pulse labelling of Escherichia coli. Nature, 190: 581-585.
6. Crick, F., Barnett, L., Brenner S. y Watts-Tobin, R. (1961). General nature of the genetic code for proteins. Nature. 192: 1227–1232. DOI: https://doi.org/10.1038/1921227a0
7. Nirenberg, M. (2004). Historical review: Deciphering the genetic code--a personal account. Trends Biochem Sci. 29, 46-54. DOI: 10.1016/j.tibs.2003.11.009
8. Chargaff, E., Zamenhof, S. y Green, C. (1950). Human Desoxypentose Nucleic Acid: Composition of Human Desoxypentose Nucleic Acid. Nature. 165, 756–757. DOI: https://doi.org/10.1038/165756b0.
9. Franklin, R. y Gosling, R. (1953). Molecular structure of nucleic acids. Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature, 171: 740-741.
10. The double helix- 50 years (2003). Nature, 421: 395-453.