El genoma como arquitectura y como
libro
El genoma como arquitectura
Todo ser vivo está compuesto
de células(1)
que, asociadas en tejidos(2)
–en el caso de los seres multicelulares– forma los distintos órganos(3) que a su vez componen
los sistemas(4)
de su cuerpo. El cuerpo humano contiene aproximadamente 100 millones de
millones de células, la mayoría de las cuales menores de un décimo de milímetro
de diámetro. En cada una hay un cuerpo negro central llamado núcleo,
dentro del cual hay dos colecciones completas del genoma(5), excepto en los
gametos (los óvulos femeninos y las células espermáticas masculinas, que tienen
solamente una) y los glóbulos rojos de la sangre (que no tienen ninguna). Una
de estas colecciones viene de la madre y la otra del padre. Cada una de ellas
contiene alrededor de 35 000 genes(6), formados por instrucciones escritas en un lenguaje
químico que describe de manera precisa cómo construir las proteínas(7). Todas y cada una de
las proteínas son producidas a partir de algún gen, por ejecución de sus
instrucciones.
El material en que están escritas las instrucciones genéticas es la
extraordinariamente larga molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico).
En cada célula existen varias de esas moléculas, según la especie de que se
trate, empaquetadas en forma de cromosomas(8), idénticas en toda la inmensa cantidad de células
que constituyen el cuerpo del organismo. Segmentos precisos suyos ponen en
marcha de cuando en cuando procesos bioquímicos que desencadenan la producción
de las proteínas necesarias al desarrollo y funcionamiento de la célula y a la
comunicación bioquímica intercelular. Por esa vía, el ADN controla directamente
el crecimiento, la reparación y la actividad de las células en que se
encuentra. Igualmente, se controla a sí mismo para expresar en cada lugar del
cuerpo y ocasión de la vida solo aquella parte de la molécula capaz de producir
las proteínas adecuadas a las circunstancias. Un gen es pues cada segmento de
ADN que ordena la síntesis de al menos una proteína. El conjunto de los genes
peculiares de un organismo constituye su genoma.
El desciframiento del código
en que vienen escritas las instrucciones genéticas fue una empresa colectiva
que duró toda una década y en la que participaron muchos científicos, a partir
de la determinación en 1953 de la estructura de la molécula del ADN, realizada
por James Watson y Francis Crick en el
laboratorio Cavendish de Cambridge (Inglaterra).
Gracias a
todos estos científicos sabemos hoy que el ácido desoxirribonucleico está
formado por dos escaleras de caracol complementarias conectadas débilmente
entre sí por pares de cuatro diferentes compuestos orgánicos llamados bases(9), que vienen a ser los
escalones de la escalera, a saber: adenina (A) apareable con timina (T), y
citosina (C) apareable con guanina (G). Esta secuencia de pares de bases es
equiparable a un lenguaje, prácticamente universal para todos los organismos,
en que vienen escritas las especificaciones para producirlos y mantenerlos
funcionando, cualesquiera que sea la especie a que pertenezcan. Los mensajes
escritos en este código genético se leen en una sola dirección en
cualquiera de las dos hélices (aunque en versiones complementarias). Cada
secuencia de tres letras (llamada tripleta o codón) constituye las
especificaciones para construir algún aminoácido(a). Secuencias de estas
tripletas (los genes) especifican a su vez cadenas de aminoácidos (las
proteínas).
Existen 43 = 64
posibles tripletas o codones, pero solo 20 aminoácidos sirven para construir
proteínas.
La explicación a esta aparente
contradicción mantuvo ocupados a biólogos, físicos e informáticos por mucho
tiempo, hasta que experimentos en diversos laboratorios de investigación
produjeron determinados aminoácidos a partir, indiferentemente, de más de una
tripleta. Se estableció entonces que muchas palabras del lenguaje genético
comparten el mismo significado. El hecho es que 61 tripletas codifican
redundantemente aminoácidos, mientras que las restantes tres combinaciones de
tres letras significan, también redundantemente, "hasta aquí llega este
gen", equivaliendo a signos de puntuación para señalar el final de las
especificaciones para una determinada proteína. Pero aunque algunos aminoácidos
son especificados por más de un codón, ninguna tripleta especifica más de un
aminoácido, lo que asegura que el sistema sea determinista.
La estructura tridimensional
en que consiste el ADN corresponde exactamente a una escalera de caracol doble
o de dos pisos (una escalera que se enrosca encima de la otra) diseñada por
Leonardo da Vinci para habilitar las tres plantas del castillo de Chambord,
erigido en el valle del Loire por Francisco I en el siglo XVI. Los dos pisos de
la escalera comienzan a subir desde extremos opuestos de una torre en el centro
de la primera planta del castillo. Terminan de subir igualmente en extremos
opuestos de la misma torre, en la azotea. Las personas que suben por alguna de
las hélices van siempre encima o debajo de las que transitan por la otra hélice
de la escalera; pero nunca se topan. Cada cuarto de giro pueden ver en su mismo
nivel a las personas que van por la otra hélice, a través de ventanas que se
abren en el granito de la pared hacia el centro vacío común entre las dos
hélices. Si por estas ventanas opuestas los transeúntes extienden sendos
paraguas hacia la otra hasta que se toquen sus puntas, los paraguas en contacto
representarían muy bien las bases complementarias unidas débilmente que forman
cada tramo del ADN. Leonardo no imaginaba que la naturaleza se le había
adelantado en patentar tan magnífico diseño. Curiosamente, la escalera doble de
Chambord no influenció el descubrimiento que hicieran Watson y Crick del otro
lado del Canal de
El genoma como libro
Matt Ridley, en su reciente obra Genoma (RIDLEY 00), nos hace una apasionante proposición. Sugiere que pensemos el genoma humano como si fuera un libro. Consta de 23 volúmenes, los cromosomas. Cada volumen contiene varios miles de capítulos, los genes. Cada capítulo se compone de varios párrafos (exones) interrumpidos por anuncios comerciales (intrones(11)). Cada párrafo se compone de palabras (codones) y cada palabra, de letras (bases). Hay mil millones de palabras en el libro, la misma cantidad que en unas ochocientas biblias. La idea del genoma como libro no es simplemente una metáfora: en un cierto sentido es literalmente verdadera, pues tanto libro como genoma son información digital, donde los dígitos son letras o bases respectivamente. El significado de esa información en el caso del genoma consiste en recetas para la producción de las proteínas necesarias en la construcción de un organismo y –lo que es sumamente importante– el orden en que deben ser producidas. A diferencia de un libro o de la pantalla de una computadora, las letras del genoma no se dibujan sobre una superficie plana, sino –multidimensionales que ellas son– están incrustadas en cadenas químicas de tres dimensiones formadas por azúcares y fosfatos. La asociación de las bases complementarias que constituyen las letras de este libro marca una diferencia fundamental entre un volumen y un cromosoma. En efecto, para copiar un volumen tenemos que someterlo a una máquina fotocopiadora. El ADN, en cambio, formado por dos cadenas o bandas débilmente conectadas entre sí, puede "fotocopiarse" a sí mismo soltando las suaves amarras que conectan a sus bases complementarias y dejando que cada subcadena se complete con piezas moleculares de repuesto que flotan agitadamente en el mar microscópico de su medio ambiente. Esto es el fundamento para la replicación de las células y, ulteriormente, para la multiplicación, a través de las generaciones, de los individuos de la especie.
Si el libro de la vida, el genoma, es capaz de fotocopiarse a sí mismo, es también capaz –sin ayuda de lector consciente– de leerse a sí mismo, lo que es todavía más admirable. Esa lectura se llama transcripción. La débil atadura entre las dos subcadenas del ADN permite no solo su separación completa –que da fundamento a la replicación– sino también una separación parcial y temporal, en lugares diversos a lo largo de la cadena. Esta separación parcial hace posible que, usando como esténcil una de las dos bandas (la llamada "de sentido"), se forme una sustancia parecida al ADN con ladrillos biológicos que nadan en el ambiente celular. Se diferencia del ADN en ser una banda simple y no doble y, además, porque contiene la base uracil (U) donde el ADN contiene timina (T). Esa sustancia recibe el nombre de ARN (ácido ribonucleico) y una de sus principales funciones es servir de mensajero. Su función es trasladarse del núcleo al citosol(12), como representante de genes particulares, y poner en marcha minúsculas fábricas de proteínas, los ribosomas. Antes de dejar el núcleo, el ARN mensajero ha de ser purificado de los intrones, para quedar integrado exclusivamente por los comunicativos exones.
Notas
Nota 1: La célula es la unidad de la vida. Algunos seres,
llamados unicelulares, solo contienen una de ellas; así, por ejemplo, las
bacterias. Generalmente microscópica, hay sin embargo excepciones (un huevo de
gallina es una célula, por ejemplo). Básicamente consiste en una membrana, que
la aísla del ambiente y la conecta a él, dentro de la cual existe una sopa rica
en sustancias necesarias para la construcción de otras células o la reparación
de la misma. En ese caldo se encuentra el material genético, generalmente
concentrado en una mota central llamada núcleo.
Nota 2: Por ejemplo la epidermis,
el tejido visible de la piel.
Nota 3: Por ejemplo el hígado o el corazón.
Nota 4: Por ejemplo, el sistema circulatorio, formado por
corazón, venas. arterias y pulmones.
Nota 5: Conjunto de especificaciones para desarrollar el
individuo de una especie.
Nota 6: Según lo han determinado recientemente unos
investigadores franceses. Hasta hace poco se creía que el número de genes
podría ser de más del doble de ese número.
Nota 7: Las proteínas constituyen los materiales más
importantes con que está construido el organismo.
Nota 8: Los cromosomas son paquetes de ADN. En casi todos
los organismos hay más de uno, siendo su número una característica propia de la
especie correspondiente. La especie humana porta 23 pares de ellos.
Nota 9: Como contrapuesto a "ácidos". Los ácidos
y las bases son compuestos químicos que despliegan características opuestas.
Por ejemplo, los ácidos tienen el sabor que su nombre indica y las bases saben
amargo. Si combinamos entre sí un ácido y una base sucede una reacción
neutralizadora muy rápida que produce generalmente agua y una sal. Por ejemplo,
ácido sulfúrico e hidróxido de sodio producen agua y sulfato de sodio:
H2SO4 + 2NaOH = 2H2O
+ Na2SO4
Nota 10: Galileo Galilei,
cuando sólo contaba 19 años de edad, observó como un candelabro oscilaba
describiendo arcos de distinto tamaño en tiempos iguales, sin depender de la
amplitud del arco. Los tiempos los midió tomándose el pulso. Dícese que esa
observación fue la base de su descubrimiento de las leyes del movimiento.
Nota 11: Las secuencias
activas de los genes se denominan exones, pues son las que se expresan;
las inactivas se llaman, intrones, quizás por su carácter introvertido
(no son capaces de expresarse). La comparación con los anuncios comerciales es
muy limitada, pues los intrones solo tienen en común con ellos que son
estorbosos.
Nota 12: Sopa de sustancias
químicas que rodea al núcleo.
Referencias
Nota a: Aminoácidos
en Apéndices de la segunda colección.
Copyright © 2000 Claudio Gutiérrez