14.1: Bases Históricas de la Comprensión Moderna

Habilidades para Desarrollar

• Explicar la transformación del ADN
• Describir los experimentos clave que ayudaron a identificar que el ADN es el material genético
• Estado y explicar las reglas de Chargaff

La comprensión moderna del ADN ha evolucionado desde el descubrimiento del ácido nucleico hasta el desarrollo del modelo de doble hélice. En la década de 1860, Friedrich Miescher (Figura\(\PageIndex{1}\)), médico de profesión, fue la primera persona en aislar químicos ricos en fosfato de glóbulos blancos o leucocitos. Nombró a estos químicos (que eventualmente se conocerían como ARN y ADN) nucleina porque estaban aislados de los núcleos de las células.

Figura\(\PageIndex{1}\): Friedrich Miescher (1844—1895) descubrió ácidos nucleicos.

Enlace al aprendizaje

Para ver a Miescher realizar un experimento paso a paso, haga clic en esta revisión de cómo descubrió el papel clave del ADN y las proteínas en el núcleo.

Medio siglo después, el bacteriólogo británico Frederick Griffith fue quizás la primera persona en demostrar que la información hereditaria podía transferirse de una célula a otra “horizontalmente”, en lugar de por descendencia. En 1928, reportó la primera demostración de transformación bacteriana, proceso en el que el ADN externo es absorbido por una célula, cambiando así la morfología y la fisiología. Estaba trabajando con Streptococcus pneumoniae, la bacteria que causa la neumonía. Griffith trabajó con dos cepas, rugosa (R) y lisa (S). La cepa R es no patógena (no causa enfermedad) y se llama rugosa porque su superficie externa es una pared celular y carece de cápsula; como resultado, la superficie celular aparece irregular bajo el microscopio. La cepa S es patógena (causante de enfermedad) y tiene una cápsula fuera de su pared celular. Como resultado, tiene una apariencia suave bajo el microscopio. Griffith inyectó la cepa R viva en ratones y sobrevivieron. En otro experimento, cuando inyectó a los ratones la cepa S muerta por calor, también sobrevivieron. En un tercer conjunto de experimentos, se inyectó en ratones una mezcla de la cepa R viva y la cepa S destruida por calor y, para su sorpresa, los ratones murieron. Al aislar las bacterias vivas del ratón muerto, solo se recuperó la cepa S de bacterias. Cuando esta cepa S aislada se inyectó en ratones frescos, los ratones murieron. Griffith concluyó que algo había pasado de la cepa S destruida por calor a la cepa R viva y la transformó en la cepa S patógena, y llamó a esto el principio transformador (Figura\(\PageIndex{2}\)). Estos experimentos se conocen ahora como experimentos de transformación de Griffith.

Figura\(\PageIndex{2}\): Se utilizaron dos cepas de S. pneumoniae en los experimentos de transformación de Griffith. La cepa R es no patógena. La cepa S es patógena y causa la muerte. Cuando Griffith inyectó a un ratón la cepa S destruida por calor y una cepa R viva, el ratón murió. La cepa S se recuperó del ratón muerto. Así, Griffith concluyó que algo había pasado de la cepa S destruida por calor a la cepa R, transformando la cepa R en cepa S en el proceso. (crédito “ratón vivo”: modificación de obra por parte de los NIH; crédito “ratón muerto”: modificación de obra por Sarah Marriage)

Los científicos Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty (1944) estaban interesados en explorar más a fondo este principio transformador. Aislaron la cepa S de los ratones muertos y aislaron las proteínas y ácidos nucleicos, a saber, ARN y ADN, ya que estos fueron posibles candidatos para la molécula de herencia. Realizaron un estudio sistemático de eliminación. Utilizaron enzimas que degradaban específicamente cada componente y luego usaron cada mezcla por separado para transformar la cepa R. Encontraron que cuando el ADN se degradaba, la mezcla resultante ya no era capaz de transformar las bacterias, mientras que todas las demás combinaciones pudieron transformar las bacterias. Esto los llevó a concluir que el ADN era el principio transformador.

Conexión de carrera: Científicos forenses y análisis de ADN

La evidencia de ADN se utilizó por primera vez para resolver un caso migratorio. La historia comenzó con un adolescente que regresaba a Londres desde Ghana para estar con su madre. Las autoridades migratorias del aeropuerto sospechaban de él, al pensar que viajaba con pasaporte falsificado. Después de mucha persuasión, se le permitió irse a vivir con su madre, pero las autoridades migratorias no abandonaron el caso en su contra. Todo tipo de pruebas, incluyendo fotografías, fueron aportadas a las autoridades, pero sin embargo se inició el proceso de deportación. Casi al mismo tiempo, el Dr. Alec Jeffreys de la Universidad de Leicester en el Reino Unido había inventado una técnica conocida como huellas dactilares de ADN. Las autoridades migratorias se acercaron al doctor Jeffreys en busca de ayuda. Tomó muestras de ADN de la madre y tres de sus hijos, además de una madre no emparentada, y comparó las muestras con el ADN del niño. Debido a que el padre biológico no estaba en la imagen, se comparó el ADN de los tres hijos con el ADN del niño. Encontró una coincidencia en el ADN del niño tanto para la madre como para sus tres hermanos. Concluyó que el niño era efectivamente el hijo de la madre.

Los científicos forenses analizan muchos artículos, incluyendo documentos, escritura a mano, armas de fuego y muestras biológicas. Analizan el contenido de ADN del cabello, semen, saliva y sangre, y lo comparan con una base de datos de perfiles de ADN de delincuentes conocidos. El análisis incluye aislamiento de ADN, secuenciación y análisis de secuencia; la mayoría de los análisis forenses de ADN implican la amplificación por reacción en cadena de la polimerasa (PCR) de loci de repetición corta en tándem (STR) y electroforesis para determinar la longitud del fragmento amplificado por PCR. Solo el ADN mitocondrial es secuenciado para forense. Se espera que los científicos forenses comparezcan en las audiencias judiciales para presentar sus hallazgos. Suelen ser empleados en laboratorios de criminalidad de agencias gubernamentales de la ciudad y del estado. Los genetistas que experimentan con técnicas de ADN también trabajan para organizaciones científicas y de investigación, industrias farmacéuticas y laboratorios universitarios y universitarios. Los estudiantes que deseen seguir una carrera como científico forense deben tener al menos una licenciatura en química, biología o física, y preferiblemente alguna experiencia trabajando en un laboratorio.

Los experimentos realizados por Martha Chase y Alfred Hershey en 1952 proporcionaron evidencia confirmatoria de que el ADN era el material genético y no las proteínas. Chase y Hershey estaban estudiando un bacteriófago, que es un virus que infecta bacterias. Los virus suelen tener una estructura simple: una cubierta proteica, llamada cápside, y un núcleo de ácido nucleico que contiene el material genético, ya sea ADN o ARN. El bacteriófago infecta la célula bacteriana huésped al unirse a su superficie, y luego inyecta sus ácidos nucleicos dentro de la célula. El ADN del fago hace múltiples copias de sí mismo usando la maquinaria del huésped, y eventualmente la célula huésped estalla, liberando una gran cantidad de bacteriófagos. Hershey y Chase marcaron un lote de fago con azufre radiactivo, ³⁵ S, para marcar la cubierta proteica. Otro lote de fagos se marcaron con fósforo radiactivo, ³² P. Debido a que el fósforo se encuentra en el ADN, pero no en la proteína, el ADN y no la proteína se etiquetarían con fósforo radiactivo.

Cada lote de fagos se dejó infectar las células por separado. Después de la infección, la suspensión bacteriana del fago se colocó en una licuadora, lo que provocó que la cubierta del fago se separara de la célula hospedadora. La suspensión de fagos y bacterias se centrifugó en una centrífuga. Las células bacterianas más pesadas se asentaron y formaron un sedimento, mientras que las partículas de fago más ligeras permanecieron en el sobrenadante. En el tubo que contenía fago marcado con ³⁵ S, el sobrenadante contenía el fago marcado radiactivamente, mientras que no se detectó radiactividad en el sedimento. En el tubo que contenía el fago marcado con ³² P, se detectó la radiactividad en el sedimento que contenía las células bacterianas más pesadas, y no se detectó radiactividad en el sobrenadante. Hershey y Chase concluyeron que fue el ADN del fago el que se inyectó en la célula y portó información para producir más partículas de fago, proporcionando así evidencia de que el ADN era el material genético y no las proteínas (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): En los experimentos de Hershey y Chase, las bacterias se infectaron con fagos radiomarcados con ³⁵ S, que marca proteína, o ³² P, que marca el ADN. Sólo ³² P ingresaron a las células bacterianas, lo que indica que el ADN es el material genético.

Alrededor de esta misma época, el bioquímico austriaco Erwin Chargaff examinó el contenido de ADN en diferentes especies y encontró que las cantidades de adenina, timina, guanina y citosina no se encontraron en cantidades iguales, y que variaba de especie a especie, pero no entre individuos de la misma especie. Encontró que la cantidad de adenina equivale a la cantidad de timina, y la cantidad de citosina es igual a la cantidad de guanina, o A = T y G = C. Esto también se conoce como reglas de Chargaff. Este hallazgo resultó inmensamente útil cuando Watson y Crick se estaban preparando para proponer su modelo de doble hélice de ADN.

Resumen

El ADN fue aislado primero de los glóbulos blancos por Friedrich Miescher, quien lo llamó nucleina porque se aisló de núcleos. Los experimentos de Frederick Griffith con cepas de Streptococcus pneumoniae proporcionaron el primer indicio de que el ADN puede ser el principio transformador. Avery, MacLeod y McCarty demostraron que el ADN es necesario para la transformación de bacterias. Experimentos posteriores de Hershey y Chase utilizando el bacteriófago T2 demostraron que el ADN es el material genético. Chargaff encontró que la relación de A = T y C = G, y que el contenido porcentual de A, T, G y C es diferente para diferentes especies.

Glosario

transformación

proceso en el que el ADN externo es absorbido por una célula