gen: T. Deerinck y M. Ellisman / UCSD

6.-Biología sintética: la primera célula viva artificial

Miguel Ángel Cevallos

El pasado 20 de mayo se dio a conocer una noticia que ha causado demostraciones tanto de júbilo como de completa consternación: la creación de una célula bacteriana controlada por un genoma sintético. ¿Cuáles son los antecedentes de esta investigación y sus posibles consecuencias?

Puedo afirmar —y no dudo en meter mi mano en el fuego por ello— que estamos viviendo los inicios de lo que se conocerá como la era de la biología molecular, la cual tendrá un impacto quizá mayor o por lo menos equivalente al descubrimiento y desarrollo de la energía atómica que tuvo lugar en la primera mitad del siglo XX. Durante las últimas décadas hemos acumulado una enorme e invaluable cantidad de datos sobre la naturaleza de la información genética. Nuestro conocimiento es especialmente sólido en las bacterias, que son los organismos celulares más simples y más abundantes en la Tierra. Tenemos una idea bastante clara acerca de cómo funcionan los genes bacterianos, en qué forma interactúan unos con otros, con cuáles patrones —dependiendo de las condiciones ambientales— se encienden y se apagan, y cómo adquieren nueva información genética estos microorganismos. A este entramado de conocimientos tenemos que sumarle el inmenso arsenal de nociones que hemos obtenido mediante el análisis de los más de 1 000 genomas bacterianos que se han secuenciado hasta la fecha. Este arsenal es especialmente relevante, ya que nos permite analizar, a semejanza de lo que hace un ingeniero cuando revisa los planos de un edificio complejo, el plano de vida de un organismo. Un grupo creciente de investigadores afirma que ya poseemos un cuerpo de conocimientos de tal magnitud que podemos realizar nuestros propios diseños basados o inspirados en lo que ocurre en la naturaleza, y en consecuencia aseguran que estamos ante las puertas de lo que hoy en día, de manera tal vez un tanto presuntuosa, pero desde luego no infundadamente visionaria, empieza a ser denominado biología sintética.

Diseño genético

El término biología sintética no es nuevo en el lenguaje científico: surgió en los años 80 para referirse a la tecnología requerida para la producción de las primeras bacterias modificadas genéticamente que poseían uno o pocos genes ajenos a su patrimonio genético original; sin embargo, hoy por hoy el término tiene una connotación mucho más amplia, ya que se refiere a la ciencia y a las técnicas utilizadas para diseñar y construir bloques de genes que confieran a los organismos características y funciones nuevas, que no existen en la naturaleza. Y con ello me refiero no sólo a la modificación de microbios para que tengan, digamos, la capacidad de degradar compuestos sintéticos o producir biocombustibles, sino también, en última instancia, a la creación de nuevos organismos vivos, diseñados en el escritorio, y luego generados a partir de ingredientes químicos obtenidos en el laboratorio.

Dicho lo anterior, parece muy probable que surjan juicios encontrados: así, algunos opinarán que estamos frente al nuevo Frankenstein; para otros será el fin del vitalismo, posición filosófica que sostiene que la vida no se crea, se transmite, y, por lo tanto, asegura que elprincipio vital de algún modo es independiente de la estructura de la célula.

En general, los biólogos están de acuerdo en que todos los seres vivos deben cumplir con tres requisitos para que pueda considerarse que realmente están vivos: primero, ser capaces de automantenerse, es decir, tener un metabolismo; segundo, poder reproducirse; y tercero, poseer la capacidad de evolucionar. Esto es muy fácil de decir, pero establecer exactamente qué compuestos, qué genes y qué proteínas se requieren para cumplir esos tres requisitos, es algo muy diferente.

Uno de los puntos de vista más controversiales que sostienen los científicos involucrados en la biología sintética es que aseguran tener un acercamiento experimental para resolver el dilema más importante de la biología: entender los principios fundamentales del fenómeno al que llamamos vida. Su propuesta es que si queremos saber qué es la vida, la tenemos que sintetizar en el laboratorio, bajo condiciones experimentales estrictas. El primer paso firme ya se ha dado.

Organismos artificiales

El día 20 de mayo de este año recibimos una noticia extraordinaria, que seguramente cambiará el curso de la biología como ciencia y tendrá, en un futuro no muy lejano, repercusiones enormes en nuestra vida cotidiana. Ese día, Daniel Gibson, Craig Venter y otros 22 científicos del Instituto J. Craig Venter de Estados Unidos publicaron, en la influyente revista Science, un artículo cuyo titulo lo resume todo: “Creación de una célula bacteriana controlada por un genoma sintetizado químicamente”. Y lo resume todo porque, en otras palabras, la lectura del artículo revela varias primicias trascendentales: que, por primera ocasión, el material genético de un organismo (genoma) se diseña por métodosbioinformáticos (computacionales); que ese material genético se sintetiza químicamente y se trasplanta a una célula huésped, para dar origen a un organismo nuevo cuyas funciones dependen exclusivamente de las instrucciones que se le introdujeron. Los científicos más entusiastas opinan que se trata de la primera vez que se genera vida en el laboratorio; los más conservadores incluso están de acuerdo en que éste es un paso inicial, pero firme, para crear una célula viva completamente artificial.

Los inicios

El artículo aparecido en Science es el resultado de muchísimos años de arduo trabajo, durante el cual se tuvieron que sortear innumerables obstáculos. Muy probablemente, la génesis de este proyecto ocurrió cuando Craig Venter (ver recuadro) se propuso, hace 15 años, determinar la secuencia del material genético de la bacteria patógena Haemophilus influenzae. Con las técnicas actuales, esta meta se pudo haber alcanzado, literalmente, en unos cuantos días; sin embargo, hace década y media obtener la secuencia completa del ADN de una bacteria era un proyecto visionario, complicado y de alto riesgo, puesto que en ese entonces apenas surgían los primeros secuenciadores automáticos de ADN, y se carecía de herramientas computacionales para enfrentar ágilmente el problema. Muchos consideran que en realidad el nacimiento de las ciencias genómicas tuvo lugar mucho antes, el 28 de julio de 1995, fecha en que se publicó el artículo que daba cuenta de este proyecto.

Haber elegido Haemophilus influenzae como objeto de estudio fue una decisión muy inteligente, puesto que se trata una bacteria que puede crecer en condiciones de laboratorio, cuyo genoma se sabía pequeño y, por lo tanto, más fácil de secuenciar. Pocos meses después, el Dr. Venter y su equipo determinaron la secuencia del genoma de otra bacteria,Mycoplasma genitalium, que también crece en el laboratorio, pero en condiciones mucho más estrictas que las que requiere Haemophilus, pese a que tiene un genoma mucho más pequeño que el que posee esta última. La idea subyacente en estos proyectos era determinar cuál es el número mínimo de genes requerido para que una célula pueda ser considerada como viva. En 1996, y luego de sesudos análisis comparativos entre los genomas de Mycoplasma y Haemophilus realizados con herramientas bioinformáticas, los doctores Koonin y Mushegian, de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de Estados Unidos, estimaron que ese número mínimo es de 256 genes. Diez años después, Craig Venter y sus colaboradores decidieron cotejar experimentalmente esta aproximación. Con ese fin, se empeñaron en destruir uno a uno los genes de Mycoplasma genitalium para determinar cuáles genes son esenciales para la vida y cuáles no. Así establecieron que 100 genes de esta bacteria son completamente prescindibles, y llegaron a la conclusión de que solamente se necesitan 425 genes para generar un organismo con vida independiente, más de los predichos por Koonin y Mushegian, pero aún así un número de genes ridículamente bajo para un fenómeno que se consideraba intrínsecamente complejo. Con estos números en mente, Venter percibió que era concebible sintetizar químicamente un genoma pequeño y “darle vida”, transplantándolo a una célula huésped. Desde ese entonces, esto es, desde 2006, Venter y su equipo se dedicaron a establecer los protocolos científicos para hacer que este sueño se concretara, lo cual ocurrió cuatro años después. Desde un inicio, a este grupo de científicos le quedó perfectamente claro que había que resolver dos problemas clave que, además, podían solucionarse independientemente uno del otro. El primero era establecer cómo se podría trasplantar un genoma a una célula huésped y lograr que éste sustituyera al original y así “tomara” el control de las funciones celulares. El segundo se centraba en cómo sintetizar químicamente un genoma.

Los primeros éxitos

Contra todos los pronósticos, estas metas se resolvieron rápidamente: en 2007, Venter y colaboradores publicaron en Science un artículo intitulado “Trasplantes de genomas en bacterias: cambiando una especie en otra”, en el cual daban cuenta de cómo resolvieron el primer problema. Meses después, en la misma revista salió publicado otro artículo de dichos autores, cuyo título era “Síntesis química completa, ensamblaje y clonación del genoma deMycoplasma genitalium”, con el que anunciaban que habían resuelto el segundo problema. Es decir, en 2008 ya tenían establecida una metodología para crear, por vez primera en la historia, un célula sintética viva.

Durante los dos años siguientes, los investigadores del Instituto J. Craig Venter pulieron sus estrategias experimentales y replantearon sus metas: la primera de ellas fue establecer que el genoma ideal para trabajar no era el de Mycoplasma genitalium, sino el de su primo hermano Mycoplasma mycoides, un organismo de genoma más grande, pero mucho más fácil de manejar en el laboratorio; la segunda meta fue utilizar como célula huésped a otro primo hermano: Mycoplasma capricolum, parecido en muchos sentidos al anterior, pero con características distintivas tanto genéticas como fisiológicas que permiten diferenciar perfectamente las dos especies de Mycoplasma.

Célula artificial

Para asegurar el éxito de estos experimentos, Venter y sus compañeros decidieron que en un inicio era más prudente imitar a la naturaleza, así es que se impusieron la tarea de diseñar un genoma muy parecido al de Mycoplasma mycoides, pero incluyendo en él ciertas diferencias genéticas —a las cuales llamaron, como si fueran papel moneda, marcas de agua— con el único propósito de hacer que el genoma artificial fuera fácilmente distinguible del nativo, y descartar cualquier tipo de contaminación.

El equipo de los doctores Gibson y Venter construyó el genoma artificial empleando un método similar al que se utiliza para diseñar y fabricar un rompecabezas, y luego para armarlo. Ante todo, para crear un rompecabezas es indispensable tener bien clara la imagen que se quiere plasmar; una vez delineada esa imagen, es preciso elaborar las piezas del rompecabezas pensando en que sean del mismo tamaño, y desde luego, en que no se repitan. Cuando ya se procede a armar el rompecabezas, el procedimiento usual consiste en unir las piezas por grupitos, y al final, ensamblar todos estos grupitos para reconstruir la imagen diseñada. Del mismo modo, el equipo de Gibson y Venter sintetizó químicamente 1 078 fragmentos de ADN, cada uno de ellos con una longitud de poco más de 1 000 pares de bases (pb), que abarcaban la totalidad del genoma diseñado. Luego ensamblaron los fragmentos de 10 en 10, para acabar con una colección de 109 fragmentos más grandes a los que llamaremos casetes de cerca de 10 000 pb cada uno. Es muy importante subrayar que este primer ensamblaje se hizo, aunque parezca una locura, dentro de la levadura de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae). Esto se debe a que se han desarrollado manipulaciones genéticas que permiten “pegar” pedacitos de ADN en un orden preestablecido, de una manera ágil y barata, dentro de este microorganismo. Este procedimiento puede hacerse perfectamente en el tubo de ensayo, según estos mismos autores han demostrado, pero en esa forma resulta más lento y más costoso.

La tercera etapa del proyecto consistió en purificar los 109 casetes y “pegarlos”, nuevamente en grupitos de 10, en un orden establecido, para así lograr 11 segmentos ensamblados de alrededor de 100 000 pb cada uno, utilizando asimismo la levadura como vehículo para hacer esta manipulación genética. En la siguiente etapa se procedió de manera similar: se purificaron los 11 segmentos de 100 000 pb y se pegaron, con la misma estrategia, en el orden requerido y de esta manera llegar finalmente a una sola molécula de aproximadamente 1.1 millones de pb, que corresponde precisamente al genoma completo artificial previamente diseñado. Posteriormente, el genoma artificial se extrajo de la levadura.

Gibson y Venter tenían bien claro que si querían trasplantar exitosamente su genoma artificial ante todo debían evadir el sistema de defensa de la célula huésped, pues las bacterias poseen enzimas, conocidas como enzimas de restricción, que destruyen cualquier ADN que provenga de fuera. Este mecanismo, obviamente no surgió para hacerles la vida difícil a los investigadores, sino para destruir el material genético de los virus que las infectan. Las bacterias han desarrollado, al mismo tiempo, enzimas que modifican su propio ADN (metilasas), a fin de evitar que las enzimas de defensa confundan lo propio con lo ajeno y lo destruyan. Por ello, estos investigadores purificaron las enzimas de protección de ADN de Mycoplasma capricolum, y las usaron para proteger su genoma artificial.

Para poder lograr el trasplante, se incubó el ADN protegido del genoma sintético con las células de Mycoplasma capricolum, en presencia de un sustancia (polietilenglicol) que promueve la entrada del ADN a las células. Por un mecanismo que todavía no se entiende a cabalidad, las células que reciben el genoma sintético eliminan el propio.

Otro reto importante al que tuvieron que enfrentarse estos investigadores fue el de buscar una manera eficiente de reconocer a las pocas células en las cuales ocurrió el trasplante, distinguiéndolas de aquellas células huésped que permanecieron sin cambio. Con este fin, mañosamente introdujeron en el genoma sintético, además de las marcas de agua, que ya mencioné, dos propiedades que están ausentes en el genoma de las células huésped: un gen que confiere resistencia al antibiótico Tetraciclina y otro gen que provoca que las células se vuelvan azules en presencia de un reactivo químico especial. Comprobaron así que las células en las que ocurrió el trasplante se volvieron azules en presencia de este reactivo y crecieron en medio de cultivo con Tetraciclina. Para que nadie tuviera dudas acerca de su trabajo, los científicos purificaron el genoma de las células trasplantadas, lo secuenciaron y certificaron que todas las marcas de agua que introdujeron en el diseño original estaban realmente ahí presentes.

Las células con el genoma sintético fabricaron poco a poco nuevos componentes celulares, siguiendo las instrucciones presentes en el nuevo genoma, hasta sustituir por completo todos los componentes de la célula original, como posteriormente demostró el equipo de Gibson y Venter. Hasta ese momento, se obtuvo, por fin, una célula cuya estructura y fisiología depende exclusivamente del genoma artificial.

Para poder lograr el trasplante, se incubó el ADN protegido del genoma sintético con las células de Mycoplasma capricolum, en presencia de un sustancia (polietilenglicol) que promueve la entrada del ADN a las células. Por un mecanismo que todavía no se entiende a cabalidad, las células que reciben el genoma sintético eliminan el propio.

Otro reto importante al que tuvieron que enfrentarse estos investigadores fue el de buscar una manera eficiente de reconocer a las pocas células en las cuales ocurrió el trasplante, distinguiéndolas de aquellas células huésped que permanecieron sin cambio. Con este fin, mañosamente introdujeron en el genoma sintético, además de las marcas de agua, que ya mencioné, dos propiedades que están ausentes en el genoma de las células huésped: un gen que confiere resistencia al antibiótico Tetraciclina y otro gen que provoca que las células se vuelvan azules en presencia de un reactivo químico especial. Comprobaron así que las células en las que ocurrió el trasplante se volvieron azules en presencia de este reactivo y crecieron en medio de cultivo con Tetraciclina. Para que nadie tuviera dudas acerca de su trabajo, los científicos purificaron el genoma de las células trasplantadas, lo secuenciaron y certificaron que todas las marcas de agua que introdujeron en el diseño original estaban realmente ahí presentes.

Las células con el genoma sintético fabricaron poco a poco nuevos componentes celulares, siguiendo las instrucciones presentes en el nuevo genoma, hasta sustituir por completo todos los componentes de la célula original, como posteriormente demostró el equipo de Gibson y Venter. Hasta ese momento, se obtuvo, por fin, una célula cuya estructura y fisiología depende exclusivamente del genoma artificial.

Perspectivas

El anuncio de la construcción de la primera célula artificial ha causado demostraciones tanto de júbilo como de completa consternación. Muchos investigadores están convencidos que ésta es una nueva avenida para construir, de manera fácil y económicamente rentable, bacterias que fabriquen, por ejemplo, medicamentos novedosos o biocombustibles; también existen otros para los que estas innovadoras tecnologías hacen factible producir organismos que sirvan de biosensores para vigilar el medio ambiente o mejor aún, para estudiar las bases de la vida misma. Pero también hay muchos científicos que temen que esta tecnología recién nacida constituya el camino para crear inauditas y más potentes armas biológicas. Otros temen que no podamos evaluar todavía las consecuencias ecológicas del “escape” al medio ambiente de alguno de los futuros organismos artificiales. Ante la noticia, el Vaticano expresó que la nueva tecnología puede ser un desarrollo positivo si se usa correctamente, no sin dejar clara su firme creencia en que sólo Dios es capaz de crear la vida. Bajo este abanico de opiniones y de confusas perspectivas, Estados Unidos y los países que conforman la Unión Europea —y espero que México no se quede atrás— están organizando foros de bioética que sopesen la situación, analicen las consecuencias de esta nueva ciencia y establezcan códigos de ética, evidentemente muy necesarios.

Para concluir, me gustaría recalcar que las tecnologías no son buenas ni malas, todo depende de cómo se usen. Por ejemplo, la pólvora puede usarse en los festivos fuegos artificiales o en una bomba. La morfina puede usarse como un analgésico maravilloso o como una droga terriblemente adictiva. La energía atómica se puede usar para borrar de un solo golpe a una ciudad entera, o proveerla de toda la energía eléctrica que necesita. Así es que informar y reflexionar cuidadosamente sobre las nuevas tecnologías es esencial para promover su uso adecuado.

5.-
¿Uso y abuso de las drogas?
Cuando una droga se convierte en un vicio, las consecuencias pueden ser devastadora
Por Los porquémano

¿Uso y abuso de las drogas?

Muchas de las drogas tienen por derecho propio su lugar en la medicina y algunas han sido de importancia vital. La morfina, por ejemplo, es un analgésico extraordinario y la mariguana se emplea para tratar el glaucoma, una enfermedad de los ojos que puede producir ceguera, así como para alivian las náuseas y los vómitos que acompañan a la quimioterapia contra el cáncer. Pero cuando una droga se convierte en un vicio, las consecuencias ?dependencia física y psicológica, daños orgánicos e incluso la muerte? pueden ser devastadoras. El empleo, fuera del campo de la medicina, de las drogas no es cosa nueva; siempre se ha recurrido a ellas esperando aliviar las tensiones o entrar en un estado de euforia. En la antigua Grecia se vendían libremente por las calles dulces que contenían opio (del que se extraen la heroína y la morfina). Lo que sí es propio de las sociedades modernas es el uso de dos o más drogas a la vez; mezclar, por ejemplo, alcohol con tranquilizantes, cocaína, barbitúricos o heroína. En una encuesta entre mariguanos se encontró que la mayoría eran también alcohólicos. Desgraciadamente mucha gente no comprende hasta qué grado una droga aumenta el efecto de otra. Una persona que maneja después de beber alcohol y fumar mariguana, por ejemplo, está mucho más expuesta a sufrir un accidente que si sólo ha bebido alcohol.

¿Los hospitales en la historia?

En 1793, el gobierno revolucionario francés ordenó que en los hospitales se diera a cada enfermo una cama para él solo, lo que indica cómo debían andar las cosas antes. Aunque en la India desde el siglo III a.C. se procuraba que los hospitales estuvieran limpios y se diera a los pacientes buen trato y una dieta adecuada, la mayor parte de las antiguas instituciones eran poco más que asilos. Casi todos los que había en Occidente fueron fundados por la Iglesia y eran atendidos por monjas. Durante siglos, los que podían pagarlo preferían curarse en su casa porque los hospitales, además de estar repletos de gente y sucios, tenían tasas de mortalidad altísimas. No fue sino hasta el siglo XX cuando se convirtieron en verdaderos centros de salud.

4.-

Descubren que el cerebro está unido al Sistema inmune y Linfático

Finalmente científicos descubrieron cómo está unido físicamente el Cerebro con el Sintema Linfático ( Universidad de Virginia)

La Universidad de Virginia anunció un sorprendente descubrimiento que revela un nuevo mapa desconocido del Sistema Linfático y el cerebro

El profesor Jonathan Kipnis, del departamento de Neurociencia y director del Centro para el Cerebro Inmunología y Glía, explicó que ahora los médicos pueden acercarse a conocer mejor la mecánica de cómo a los pacientes se les produce un ataque inmune, al observar que el cerebro está unido al sistema inmune periférico a través de unos vasos linfáticos meníngeos, antes desconocidos.

Más allá al sorprendente hecho que al mapear con detalle el Sistema Linfático en el pasado, se habían saltado a estos vasos, los investigadores destacan hoy que la importancia “radica en los efectos que podría tener en el estudio y tratamiento de las enfermedades neurológicas que van desde el autismo, la enfermedad de Alzheimer a la esclerosis múltiple” , informó la Universidad.

“Cambia por completo la forma en que percibimos la interacción neuro-inmune. Siempre lo percibimos antes como algo esotérico que no podía ser estudiado. Pero ahora podemos hacerlo [a través de] preguntas mecanicistas”, dijo el Dr. Kipnis.

La red de vasos linfáticos que componen el Sistema Linfático en el cuerpo, es la encargada de absorber líquido rico de proteínas y de productos de desecho de las células del cuerpo, para transportarlos lejos de los tejidos.

El especialista propone que “para cada enfermedad neurológica que tiene un componente inmune a ella, estos vasos pueden jugar un papel importante”.

El presidente del Neurociencia, Kevin Lee, explicó que nunca se había tenido la información de un sistema linfático para el sistema nervioso central, y ahora se ve “muy claro en la primera observación”.

El académicos añadió que para comprobar los hallazgos se han hecho muchos estudios, por lo que ahora puede afirmar que esto “cambiará fundamentalmente la forma de mirar el núcleo de la relación del sistema nervioso con el sistema inmune”.

Los vasos meníngeos se descubrieron con un nuevo método aplicado por Antoine Louveau, La meninge es la membrana que cubre el cerebro. El Dr. Kipnis describió que estos vasos linfáticos meníngeos siguen a los vasos sanguíneos hacia los senos del cerebro, por partes difíciles de observar.

“Están tan cerca del vaso sanguíneo, que se pierden”, dijo. “Si usted no sabe lo que está buscando, usted no los ve”.

Según el médico, los hallazgos permiten comprender lo que sucede en la enfermedad de Alzheimer, donde se producen “acumulaciones de grandes trozos de proteínas en el cerebro”.

“Creemos que se pueden acumular en el cerebro porque no están siendo eliminados eficazmente por estos vasos”, concluyó el Dr. Kipnis.

Además señaló que los vasos se ven diferentes con la edad, por lo la Universidad plantea que el papel que desempeñan en el envejecimiento “es otra vía para explorar”.

Los hallazgos  publicados por la Universidad de Virginia el 1 de junio, aparecerán en una próxima edición impresa de la revista Nature. Los autores del artículo son Antoine Louveau, Igor Smirnov, Timothy J. Keyes, Jacob D. Eccles, Sherin J. Rouhani, J. David Peske, Noel C. Derecki, David Castillo, James W. Mandell, Lee, Harris y Kipnis.

3.-

¿Existe el gen de la bulimia?

PREGUNTAS Y RESPUESTAS 17/10/14

Un equipo de científicos de las uniersidades de Texas y Iowa (EE UU) ha descubierto dos mutaciones genéticas que parecen asociarse con un mayor riesgo de desarrollar trastornos de alimentación como la anorexia nerviosa y la bulimia, lo que indica que estas enfermedades tienen un componente hereditario.

Según los científicos, a través del estudio de la genética de dos familias afectadas por los mencionados trastornos de la alimentación se detectaron dos mutaciones genéticas, una en cada familia. Ambos genes actúan sobre la misma vía de señalización en el cerebro, y las dos mutaciones producen el mismo efecto biológico, según explican los autores del estudio en la revista especializada Journal of Clinical Investigation. Los resultados sugieren que esta vía podría representar una nueva diana para comprender y tratar potencialmente trastornos de la alimentación.

El análisis también señala que las mutaciones responsables de disminuir la actividad de una proteína denominada receptor de estrógeno alfa que activa la expresión de otros genes, aumentan el riesgo de sufrir estas afecciones.

2.-

Ácidos nucleicos peptídicos: su implicación genética

Omar Muñoz Muñiz, Oscar García Barradas,
María Remedios Mendoza López y Jesús Samuel Cruz Sánchez

Apartir de la elucidación estructural de la doble hélice del ADN (ácido desoxirribonucleico) por James D. Watson y Francis. H. Crick en 1953, las propiedades físicas, químicas y biológicas de esta molécula han fascinado a los científicos de todo el mundo, quienes han destinado grandes recursos para comprender su estructura y función dentro de la célula. La biomolécula de ADN en un sentido de la doble hélice está constituida por cualquiera de las siguientes nucleobases: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T), las cuales están unidas directamente a un azúcar (desoxirribosa) y que en conjunto se encuentran ensambladas mediante la unión secuencial del azúcar a un grupo fosfato (Figura 1) Desde el punto de vista biológico, la molécula de ADN posee la clave para comprender el origen de la vida y el proceso evolutivo sobre la Tierra, pues gran parte de este enigma está basado en la complementariedad y especificidad de sus nucleobases (Figura 2).

De igual forma, las propiedades estructurales del esqueleto polimérico formado por los grupos fosfato y el azúcar se ven reforzadas por la complementariedad de las nucleobases, permitiendo así la existencia de dos secuencias complementarias de forma antiparalela necesarias para la formación de la doble hélice (Figura 3). En este sentido, hoy sabemos que la estructura tridimensional del ADN asegura la alta fidelidad en la transferencia de la información genética mediante el proceso de replicación, en el que se genera una copia exacta de ADN durante la trascripción celular a través del ARN mensajero, traduciéndose finalmente en la síntesis de las proteínas necesar ias para el correcto funcionamiento de la célula.

No obstante, algunas preguntas elementales sobre la vida basada en la función que el ADN realiza en la célula aún permanecen sin una respuesta precisa; por ejemplo: ¿Por qué la naturaleza seleccionó a la molécula de ADN para ser la responsable del almacenaje de la información genética? ¿Es el ADN la única posibilidad estructural, o podría otra estructura química cumplir con los requerimientos necesarios para soportar alguna otra forma de vida? ¿Qué hace al ADN, desde el punto de vista químico, una excelente molécula en términos de estructura, estabilidad y reconocimiento molecular? Probablemente, las respuestas finales a estas interrogantes seguirán latentes durante mucho tiempo, pero mediante el estudio detallado y sistemático de esta molécula y de otras estructuras análogas podremos acercarnos a formular nuevas hipótesis sobre la vida tal y como la conocemos hasta hoy.

Moléculas alternativas al ADN

En primera instancia, si se piensa en las condiciones químicas tan drásticas existentes en los periodos próximos al surgimiento de la vida en la Tierra, se podría suponer en términos generales que los aminoácidos y las nucleobases pudieron haber sido las estructuras más abundantes en los mares y océanos primitivos. Las primeras investigaciones interesadas en el estudio de aminoácidos unidos a nucleobases datan

Figura 1. Componentes estructurales del ADN.

Figura 2. Complementariedad de las nucleobases en el ADN y ARN.

Figura 3. Estructura de la doble hélice del ADN.

de la década de los 70, cuando los profesores De Koning y Pandit prepararon los primeros derivados de lisina unidos a la nucleobase uracilo; sin embargo, la cadena del compuesto resultante mostró una pobre interacción con la cadena complementaria de ADN utilizada en sus experimentos. Posteriormente, Summerton demostró en 1989 que las moléculas basadas en la estructura de la morfolina –un aminoéter cíclico sencillo, sin el grupo fosfato– como conector mostraba una mejor interacción complementaria con las cadenas de ADN que el compuesto desarrollado por Koning y Pandit. Sorpresivamente, en 1991, un grupo de investigación danés encabezado por Peter Nielsen dio un nuevo giro a la búsqueda de moléculas miméticas del ADN al presentar una nueva molécula de estructura más sencilla que sus predecesoras y basada en la disposición espacial del grupo aminoetil-glicina. Estas nuevas moléculas, conocidas hoy en día como ácidos nucleicos polipeptídicos (ANP en lo sucesivo), están constituidas básicamente por tres fragmentos: un ?aminoácido (glicina), una nucleobase unida vía un conector de tipo amídico, y un grupo etilo espaciador (Figura 4).

Originalmente, los APN fueron concebidos con la idea de establecer nuevas estructuras que pudieran reconocer y unirse de manera selectiva a cadenas específicas de ADN, y de esta forma poder estudiar el comportamiento de los productos híbridos resultantes; sin embargo, los resultados obtenidos hasta el momento los muestran como una excelente estructura mimética del ADN; debido a esto, recientemente se les considera como agentes potenciales para su uso en terapia génica. Asimismo, debido a su simpleza estructural resultan muy atractivos para el estudio continuo de las propiedades moleculares del ADN. Desde el punto de vista etiológico, existe una dualidad muy peculiar en los ANP, pues conceptual y biológicamente tienen un comportamiento muy similar al ADN, pero desde el punto de vista químico son pseudopéptidos, esto es, proteínas pequeñas, lo que los hace estructuralmente distintos. Sin embargo, esta doble naturaleza péptido-ácido nucleico representa una ventaja sobresaliente, pues podrían ayudar a esclarecer puntos clave dentro del proceso evolutivo del ADN y, por otra parte, explotar la bondad de la química de los grupos amida que forman parte de todas las proteínas celulares. Estas nuevas moléculas representan por sí solas un considerable problema de identidad para los químicos y los biólogos: ¿ son péptidos ó ácidos nucleicos?

Otra pregunta muy interesante radica en poder explicar por qué los ANP tienen la capacidad de imitar con tanto éxito las propiedades del ADN, y una posible respuesta recae en las propiedades geométricas del esqueleto del grupo aminoetil-glicina dada su increíble flexibilidad y rigidez simultáneas, lo que permite que la estructura molecular de una cadena APN adopte la forma helicoidal del ADN a pesar de que tales arreglos no sean los preferidos de los ANP. Por tal motivo, el desarrollo de los APN ha seguido dos vertientes principales: una se ha enfocado al estudio de la relación estructura- actividad en términos de sus propiedades de hibridación con el ADN, y la otra corre paralelamente a la demostración de sus propiedades, con especial énfasis en el diseño de nuevas estructuras aplicadas que puedan ser consecuencia directa de sus cualidades, como algunos nuevos medicamentos de tipo genómico. Estructura de los ANP La conformación preferida de las cadenas libres de ANP no ha sido establecida aún, pero la evidencia obtenida por los procedimientos de resonancia magnética nuclear de protones (RMN) propone que no hay una conformación evidentemente preferida, sino que pueden existir en numerosas conformaciones atribuidas a los múltiples enlaces amídicos presentes en sus formas rotaméricas cis/trans. Este problema de desorden estructural puede resolverse cuando un ANP entra en contacto con una molécula de ADN o ARN, pues se ha demostrado que estas ú ltimas pueden funcionar como una especie de molde, redireccionando así la distribución azarosa del ANP.

En este sentido, las estructuras tridimensionales de varios complejos de ANP con ADN y ARN han sido resueltas mediante el uso de técnicas especiales de RMN y por difracción de rayos X. El análisis minucioso de las estructuras tridimensionales de los complejos ha demostrado claramente que los ANP tienen la posibilidad de adoptar cualquiera de las dos formas de los principales ácidos nucleicos naturales (formas A y B); sin embargo, de estos estudios se ha obtenido asimismo evidencia precisa para los ANP; por ejemplo, se ha logrado establecer que la conformación preferida por los ANP es más ancha (28 angstroms) y que la hélice se genera más

Figura 4. Estructura química de los ácidos nucleicos peptídicos

lentamente en comparación con sus análogos naturales (ADN y ARN), pues requieren dieciocho pares de bases para lograr una vuelta completa, mientras que en el ADN y ARN sólo se requieren diez. Por lo tanto, estas diferencias estructurales indican que los ANP no son perfectamente miméticos al ADN, lo que deja un amplio espacio para la búsqueda química de nuevas estructuras que nos acerquen más al modelo de la molécula de ADN.

Reconocimiento molecular

El reconocimiento molecular entre ácidos nucleicos a través de la complementariedad de sus nucleobases es probablemente el sistema más elegante de perfección en la naturaleza. Es extremadamente simple, poderoso y, desde el punto de vista químico, puede ser modificado, o aún mejor, puede ser expandido mediante el uso de nuevas nucleobases no naturales. Así, el uso de fragmentos de ADN como bloques directores para la construcción de nanoestructuras – tales como cubos y redes bi o tridimensionales– puede ser de gran utilidad en el desarrollo de nuevas estructuras químicas alternativas al ADN. Por ejemplo, el uso de ANP podría ser una herramienta fundamental para el desarrollo de nanoestructuras más sofisticadas y químicamente funcionalizadas con nuevas nucleobases, accediendo por ende a una nueva forma de medicina genómica.

ANP y el origen de la vida

Generalmente, se ha propuesto que nuestro mundo, tal como lo conocemos hoy (ADNARN- proteína), fue precedido por un mundo basado en el ARN, en el cual las moléculas de este ácido sirvieron con dos propósitos: almacenar la información genética y funcionar como enzimas. Desde un punto de vista conceptual, es más fácil postular que, bajo las condiciones imperantes en la Tierra prebiótica, los aminoácidos y las nucleobases pudieron haber coexistido antes de que se generaran los primeros azúcares, y, por lo tanto, la producción de los subsecuentes nucleósidos necesarios para generar las primeras moléculas de ADN debió ser limitada. De esta forma, la extraña particularidad de dualidad de los ANP reviste gran importancia, pues en esencia, siendo péptidos, pudieron haber servido como un medio transportador de información a otras biomoléculas, dejando entrever la posibilidad de un mundo péptidonucleico predecesor del mundo de hoy. Para apoyar esta idea, se han hecho diver sos experimentos en los que se ha demostrado que los ANP pueden transferir su información química o genética a otro ANP, ARN o ADN y viceversa; por ejemplo, algunas cadenas de ANP que contienen sólo citosina como nucleobase pueden dirigir la síntesis de una cadena complementaria de ANP o ARN al funcionar a manera de molde. Por todo lo anterior, es plausible pensar que una especie de ANP aquiral pudo haber sido la primera selección de la naturaleza, dejando a un lado la parte de la opción quiral y posponiendo esta difícil decisión para un paso posterior en el proceso evolutivo.

Aplicaciones de los ANP La excelente propiedad de hibridación de los ANP con ADN o ARN ha permitido el desarrollo de una gran variedad de aplicaciones médicas, entre las que destacan las nuevas técnicas para detección de genes, biosensores de ácidos nucleicos, análisis de modulación para PCR, nuevas herramientas para el mapeo génico y nuevos medicamentos basados en terapia génica antisentido. Por ejemplo, la bacteria E. coli es ligeramente permeable al paso de los ANP, por lo que, usando un ANP específico y marcado con el antibiótico ?sarcin, se ha podido inhibir el crecimiento de estos microorganismos en bajas concentraciones. De igual forma, trabajando con bacterias de E. coli resistentes a la penicilina, el tratamiento mediante un ANP marcado con anti-?l a c t amasa ha logrado inducir una sensibilidad moderada a la ampicilina de estas bacterias. Esa clase de resultados abre posibilidades para el desarrollo de nuevos bactericidas basados en los principios de genética antisentido, entre muchas otras aplicaciones.

La identidad dual de los ANP

El mejor uso de los ANP, tanto científico como aplicado, proviene de comprender que los ANP no son oligonucleótidos similares al ADN o al ARN, sino que tienen propiedades químicas y físicas que los hacen muy interesantes y especiales. Debido a esto, su ó ptima explotación debe tomar ventaja de esas propiedades que lo acercan y alejan del ADN, en lugar de verlos como un substituto de las moléculas generadoras de la vida. Por tanto, los ANP son moléculas muy atractivas para los químicos debido a sus propiedades aún parcialmente inexploradas y con gran potencial de modificación. En otras palabras, los ANP combinan las poderosas propiedades de reconocimiento molecular del ADN y ARN con la robusta flexibilidad de la química de las proteínas, lo que implica un gran potencial de aplicaciones desde el punto de vista químico.

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Vida: Silicio vs. carbono  5

La vida en la Tierra se basa en el carbono. Esto significa, simplemente, que la química para la vida en la Tierra utiliza el carbono para formar moléculas complejas que se usan para varias funciones vitales, como el almacenamiento de información.

Vida imaginaria basada en silicio (Terence Dickinson y Adolf Schaller, bp0.blogger.com)

Podemos encontrar carbono en todo, desde membranas celulares a hormonas y ADN. Durante años, los científicos y los escritores de ciencia ficción han soñado con la posibilidad de una vida basada en otra cosa que no fuera carbono. Para reemplazar el carbono con otro elemento, necesitaríamos escoger cuidadosamente a un competidor. El contrincante debería ser un elemento abundante, ya que será un constituyente mayoritario de muchas moléculas vitales. Además, necesitaríamos considerar los elementos que tienen la capacidad de enlazarse con ellos mismos, y con varios otros elementos, para crear moléculas de vida complejas, y lo que es más importante, estables.

Es bien conocido que distintos elementos pueden poseer características químicas similares. Estas similitudes se basan en el hecho de que todos los átomos se enlazan en general del mismo modo. La tabla periódica es una lista organizada de todos los elementos, y se presenta de tal manera que refleja patrones en la colocación de las partículas nucleares dentro de los átomos. Por ejemplo, según lees la tabla periódica de izquierda a derecha, el número de protones y electrones por átomo aumenta. Todos los elementos de una columna tienen el mismo número de electrones en su capa externa. Generalmente, sólo la capa externa de electrones interviene en las reacciones químicas. Esto significa que los elementos en la misma columna tienden a participar en reacciones químicas de manera parecida. Si miramos a la columna que comienza con el carbono, podemos leer hacia abajo y ver que se incluyen en la misma columna elementos como el silicio (Si), el germanio (Ge), el estaño (Sn) y el plomo (Pb). En muchas historias fantásticas sobre vida alienígena, el silicio es el candidato propuesto para reemplazar al carbono, ya que se sitúa inmediatamente debajo de este último en la tabla periódica. Durante el resto de esta argumentación compararemos el silicio con el carbono como elemento fundamental para la vida.

El silicio tiene el mismo número de electrones en su capa externa que el carbono, lo que significa que también puede formar cuatro enlaces. También es muy abundante, incluyendo gran parte del suelo que pisas. El silicio se puede enlazar rápidamente consigo mismo para formar Si-Si, igual que el carbono puede formar C-C. Con sólo esta información, uno podría pensar que hay algo importante en este átomo de silicio. Después de todo, los enlaces C-C son la base de moléculas complejas en la Tierra. Sin embargo, estamos pasando por alto algunos detalles importantes. Aunque los enlaces Si-Si, como los de silicio-hidrógeno y los de silicio-oxígeno, son fáciles de formar, no hemos considerado las fuerzas relativas de estos enlaces. Los enlaces Si-Si son mucho más débiles que los C-C; sólo tienen la mitad de fuerza. Los enlaces Si-H y Si-O son más fuertes que los Si-Si, mientras que los análogos, con el carbono, de estos tres tipos de enlace, son casi iguales en fuerza. Esto significa que, mientras que es muy fácil obtener largas cadenas o anillos de átomos de carbono, no es muy común encontrar cadenas o anillos de átomos de silicio unidos. De hecho, es extremadamente raro encontrar alguna molécula en la que se hayan unido más de tres átomos de silicio.

Algunas de las moléculas más comunes de carbono con las que estamos más familiarizados en la Tierra, como el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4), tienen derivados del silicio. El silicio es muy atraído por el oxígeno, por lo que se combina con el oxígeno incluso a temperaturas inferiores, formando SiO2. Si el silicio se combinara con el elemento más abundante en el universo, el hidrógeno, formaría silano, SiH4. Sin embargo, el silicio no reacciona tan fácilmente con el hidrógeno como lo hace con el oxígeno. Incluso en las condiciones más reductoras, y con gran exceso de hidrógeno, el silano no se formará a temperaturas menores de 1.000 K. Y cuando comparamos el silano con el metano, advertimos que el silano es mucho menos estable que el metano, y arde cuando entra en contacto con el aire.

Imagen artística de vida basada en silicio (bp0.blogger.com)

Tenemos muchas pruebas acerca de la formación del SiO2 en la Tierra, ya que es un constituyente principal de las rocas. La forma más común de SiO2 es el cuarzo. Aunque se identifica fácilmente en la Tierra, el SiO2 tiene propiedades muy distintas a las del CO2, también abundante. Aquí, en la Tierra, el CO2 es gaseoso en casi todo el rango de temperaturas, es muy soluble en agua (por lo que está disponible para la vida en solución acuosa) y se puede romper en carbono y oxígeno. Muy por el contrario, el SiO2 no existe como gas excepto a temperaturas extremadamente altas, muy por encima de 2.000 grados centígrados. Como puede pensarse a partir de que forme muchas de las rocas en la Tierra, el SiO2 es completamente insoluble en casi todo. Finalmente, como el silicio tiene una alta afinidad por el oxígeno, es muy difícil romper el SiO2 en los átomos que lo constituyen. Por tanto, el dióxido de carbono gana la competición contra el dióxido de silicio por ser más útil para la vida. Con respecto a los organismos vivos, el SiO2 se puede considerar una molécula inerte, y por eso, inútil para los procesos de la vida.

Hasta ahora hemos comparado el silicio con el carbono principalmente por lo que sabemos en la Tierra. Sin embargo, ¿cuáles podrían ser las condiciones en otro planeta? ¿Cómo podría evolucionar la vida en otro lugar para usar silicio en lugar de carbono? En 1894, el famoso escritor H.G. Wells escribió:

"Uno se puede asombrar ante la fantástica imaginación cuando se le sugiere algo: la visión de organismos de silicio y aluminio (¿y por qué no hombres de silicio y aluminio en algún momento?), vagando por una atmósfera de sulfuros gaseosos, digamos, por las orillas de un mar líquido algunos cientos de grados por encima de la temperatura de un alto horno".

Sabemos que los compuestos de silicio y oxígeno se forman fácilmente y por eso son bastante comunes. ¿Podría la vida aprovecharse de esto? Sabemos que en la Tierra se pueden formar algunas moléculas bastante grandes a partir de los enlaces Si-O. Las siliconas son un ejemplo de estas moléculas; están compuestas por enlaces Si-O y contienen carbono. Son muy estables; tanto, que no suelen reaccionar con otras moléculas. Aunque las siliconas pueden ser usadas por al vida para almacenar y transmitir información, su incapacidad para intervenir fácilmente en reacciones químicas las hace poco probables como elección para cualquier tipo de vida. Esto nos lleva otra vez al mismo problema que vimos con el SiO2, y es que las siliconas no serían útiles en las reacciones químicas.

Quizá estemos siendo demasiado estrechos de mente en cuanto a cómo estamos considerando la química básica. ¿Las reglas de la química funcionan igual en todo el universo? ¿El silicio se comportaría de manera diferente en otro planeta? Según las observaciones que han realizado los astrónomos, probablemente no. Los astrónomos han estudiado el entorno cósmico: el medio interestelar, las nubes interestelares, los meteoritos, los cometas y las estrellas. En todos estos lugares abundan las moléculas de carbono, y no sólo las sencillas moléculas de carbono, sino también las más complejas moléculas orgánicas. El silicio oxidado, como el dióxido de silicio, es bastante común en el entorno cósmico. Sin embargo, las moléculas de silicio como el silano y las siliconas que podríamos considerar como moléculas de la vida basadas en el silicio se encuentran rara vez. La química del carbono parece ser ubicua en el cosmos.

Hasta ahora, las pruebas sugieren que no es muy probable que la vida se base en la química del silicio. Sin embargo, eso no descarta que el silicio jugara algún papel en los orígenes de la vida. Muchas moléculas de carbono que se usan en la vida muestran algo conocido como quiralidad. Pueden existir como moléculas "diestras" o "zurdas". Una molécula de azúcar diestra es la imagen especular de la molécula de azúcar zurda complementaria, igual que tu mano izquierda es la imagen especular de tu mano derecha. Cuando le das la mano a alguien, las manos de ambos son, o bien derechas, o bien izquierdas. Y el apretón de manos no funciona cuando se realiza con una mano derecha y una izquierda.

De manera similar, la vida se ha desarrollado usando sólo moléculas con una quiralidad particular. Las moléculas de silicio rara vez muestran esta característica; normalmente son aquirales: sólo tienen una conformación. Una propuesta acerca del origen de la vida en la Tierra es que las primeras moléculas orgánicas se formaron en la superficie de silicatos. Esto habría determinado la quiralidad de las moléculas orgánicas utilizadas hoy por la vida.

A pesar del pesimismo que rodea a la idea de la vida basada en el silicio, los escritores de ciencia ficción no han perdido toda esperanza de encontrar una forma de vida que difiera significativamente de lo que somos nosotros: una forma de vida basada en el carbono. Las probabilidades de que haya vida basada en el silicio son muy pequeñas, pero eso no debería impedir a nuestras mentes que exploren lo inimaginable.

INDICE

Artículos

 Silicio vs Carbono..........................................................1

 

 Ácidos Nucleicos............................................................2

 La Bulimia.......................................................................3

 Sistema de Membranas....................................................5

 DROGAS Cocaína, Morfina, Heroína.............................6

 La Célula..........................................................................7

 

 Sistema Transporte Célula...............................................8

 ¿Por que es importante el agua en las células?................9

Salmuera .........................................................................10

Fotosíntesis......................................................................11