Gamow y la piedra Rosetta de la vida

Al buscar ADN en Google me han aparecido 60 millones de resultados y 362 si busco DNA (que es lo mismo pero en inglés). Se trata, como casi todo el mundo sabe, del acrónimo del ácido desoxirribonucleico, un componente fundamental para la vida tal y como la conocemos aquí en la Tierra. Aún siendo un físico nuclear teórico siempre me ha fascinado la cuestión de “la vida” y, más que nada, su funcionamiento y la posibilidad de explicarlo mediante las leyes físicas fundamentales. Pero no, en eso no soy ningún “pionero” y muchos y muy destacados físicos volvieron la vista hacia la biología después de haberse granjeado merecida fama como tales. Así podemos mencionar a Schrödinger (1887-1961), uno de los padres de la Mecánica Cuántica, premio Nobel de física en 1933 y que en 1944 publicó un libro titulado «¿Qué es la vida? El aspecto físico de la célula viva», obra que con el paso del tiempo tuvo incidencia en el propio descubrimiento del ADN. O a Feynman (1918-1988), premio Nobel de física en 1965 por sus trabajos en electrodinámica cuántica, que dedicó algún tiempo a tratar de investigar en bioquímica, si bien no tuvo mucho éxito. O a Delbrück (1906-1981), que había trabajado con Lise Meitner en Berlín cuando ella colaboraba con Hans y Strassmann en el momento en que descubrieron la fisión nuclear, que emigró a Estados Unidos, donde se dedicó a la biología molecular y al que sus trabajos sobre la estructura genética de los virus le valieron el premio Nobel de Fisiología en 1969.

Pues bien, volviendo con el ADN debo confesar que siempre me había llamado la atención. A pesar de haber leído al respecto de su funcionamiento muchas veces, nunca había sido capaz de captar los detalles del mismo. Recientemente, y por razones que no vienen al caso, me he visto obligado a entenderlos, al menos grosso modo, y, aprovechando que mi cuñada, bióloga, estaba de vacaciones en Granada, creo haber podido aprehender los aspectos básicos de la cuestión. Me consta que muchos de los que podáis leer este post conocéis mucho mejor que yo el tema por lo que, desde ya, os pido disculpas por los dislates de mayor o menor envergadura que pueda decir en lo que sigue. Y vaya por delante mi agradecimiento a mi cuñada Mercedes por su paciencia con mi torpeza e ignorancia “biológicas”.

El ADN es un ácido nucleico. Este tipo de ácidos, junto con los carbohidratos y las proteínas constituyen los tres tipos de macromoléculas esenciales para todas las formas de vida conocidas. El ADN es una molécula que contiene, de forma convenientemente codificada, todas las instrucciones necesarias para el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos y de muchos virus. Su forma responde a una estructura de doble hélice constituida por un par de biopolímeros que se disponen enrollados entre sí.

Estos biopolímeros están constituidos por los nucleótidos, unidades más sencillas que, a su vez, están formadas por tres elementos: una base, que contiene nitrógeno, una molécula de desoxirribosa, que es un azúcar, y un grupo fosfato. La desoxirribosa de un nucleótido se une al fosfato del siguiente dando lugar a una cadena en la que lo más importante desde el punto de vista biológico, esto es lo que contiene la información relevante, es cómo se encuentran ordenadas las bases nitrogenadas a lo largo del biopolímero. Estas bases son de cuatro tipos: adenina A, timina T, citosina C y guanina G. Los dos biopolímeros que forman la doble hélice tienen la misma información biológica que está replicada en ambos, si bien las bases están ordenadas en sentido opuesto. Ambas cadenas se encuentran ligadas gracias a enlaces de hidrógeno que unen una base de cada una de ellas, estando permitidos sólo dos tipos de enlace: adenina-timina y citosina-guanina.

Las bases se combinan de tres en tres formando los codones, que son los elementos que contienen la información codificada que permite “construir” los aminoácidos, la base de las proteínas, que son las moléculas cuya presencia y/o actividad controlan los distintos procesos biológicos que corresponden a cada célula específica.

Una secuencia de varios nucleótidos consecutivos a lo largo de uno de los biopolímeros del ADN constituye un gen, la unidad de información necesaria para sintetizar cada una de las macromoléculas que tienen una función celular específica. Los genes incluyen codones de inicio y fin y otros elementos regulatorios y tienen codificada la secuencia de los aminoácidos que conforman las proteínas. Este código genético es prácticamente universal, siendo usado por casi todos los organismos vivos, y es degenerado, es decir, que la codificación de cada aminoácido puede aparecer en más de un codón.

Casi todos los organismos vivos, excepto los virus y algunas bacterias, están constituidos por células eucariotas, que presentan un núcleo en el que el ADN se encuentra densamente empaquetado. Inmediatamente antes de la división celular, en el proceso conocido como mitosis, la molécula de ADN se duplica, formándose las estructuras denominadas cromosomas.

Como vemos en la figura, el ADN se enrolla alrededor de unas proteínas que dan soporte estructural a los genes y controlan sus actividades y que se denominan histonas. Éstas forman grupos de ocho unidades constituyendo los nucleosomas que se enrollan sobre sí mismos para formar los solenoides, los cuales vuelven a enrollarse formando el cromosoma. Éste presenta dos partes llamadas cromátidas, cada una con una rama corta y otra larga. En la división celular, las dos cromátidas se separan y cada una de ellas va a parar en unas de las dos células hijas.

Aunque el ADN contiene el código necesario para sintetizar las proteínas, esa síntesis la lleva a cabo otra molécula esencial: el ácido ribonucleico, ARN. La estructura del ARN es muy parecida a la de cada una de las dos cadenas del ADN con dos diferencias: las moléculas de desoxirribosa está sustituidas por las de ribosa, otro azúcar, y en lugar de la timina aparece otra base llamada uracilo. Existen diferentes moléculas de ARN de las que las más relevantes son el de transferencia, el ribosómico, ARNr, y el mensajero, ARNm. Este último recibe también el nombre de ARN codificante y consiste en una réplica completa del trozo de ADN que contiene el código de la secuencia de aminoácidos que conforma una proteína. El ARN más abundante en las células es el ARNr cuya misión es la de “leer” en el ARNm las secuencias concretas de los distintos aminoácidos y sintetizarlos hasta que la correspondiente proteína queda formada. El ARN de transferencia es el que se encarga de transportar un aminoácido asociado al mismo hasta la posición correcta señalada por el ARNm y “escrita” el ARNr.

En 1962, los biólogos moleculares Crick, Watson y Wilkins compartieron el premio Nobel de Fisiología por sus descubrimientos relativos a la estructura molecular de los ácidos nucleicos y su significación para la transferencia de información en el material viviente. Los trabajos que habían conducido a esos descubrimientos se habían llevado a cabo en 1953. Ese año Crick y Watson publicaron en Nature los dos notables artículos en los que proponían la estructura de doble hélice de la molécula de ADN y adelantaban cómo podía funcionar la codificación de las instrucciones genéticas básicas para los seres vivos. Las conclusiones de Crick y Watson no habrían sido posibles sin las imágenes de rayos X que habían sido obtenidas por Wilkins y por la biofísica británica Rosalind E. Franklin, fallecida lamentablemente en 1958.

En «El código genético: ayer, hoy y mañana», un libro que Crick publicó en 1966, puede leerse lo siguiente: «La importancia del trabajo de Gamow fue que era realmente una teoría abstracta de codificación y no estaba llena de un montón de detalles químicos innecesarios … De lo que él se dio cuenta claramente fue de que un código con solapamiento ponía restricciones sobre las secuencias de aminoácidos y que sería posible entonces probar, o al menos refutar, distintos códigos estudiando secuencias de aminoácidos conocidas.» Gamow, nacido en 1904 en Odesa y emigrado a Estados Unidos en 1932, había sido físico nuclear al principio de su carrera (entre otras cosas explicó la desintegración alfa basándose en el efecto túnel) y cuando se descubrió el ADN se dedicaba a la cosmología, después de haber pasado algún tiempo trabajando en astrofísica nuclear.

En 1953 Gamow se encontraba como profesor visitante en la universidad de Berkeley (California) y al parecer Luis E. Álvarez, físico norteamericano, nieto de asturianos y premio Nobel de física en 1968, comentó con él los trabajos de Crick y Watson. Impresionado, Gamow no tardó en escribir a ambos una carta que muchos consideran como el punto de partida de la búsqueda del código genético. Schrödinger ya se había referido, en el libro que mencioné al principio, a la secuencia de comandos de la herencia, «responsables de las diferencias entre un rododendro, un escarabajo, un ratón o una mujer», y se refirió al código Morse como procedimiento de codificación de cualesquiera mensajes mediante un número pequeño de símbolos. Gamow se preguntó si sería posible relacionar las bases presentes en la molécula de ADN con los aminoácidos constituyentes de las proteínas. Gamow supuso que no era necesario conocer la química básica involucrada en el problema para acceder al código genético y con ello redujo el problema a una cuestión meramente numérica: ¿cómo escribir con un alfabeto de cuatro “letras” (las bases), las “palabras”, 20 en total (los aminoácidos proteicos, canónicos o naturales), con las que se podían escribir las “frases” relevantes (las proteínas). En 1954 Gamow publicó tres artículos describiendo el análisis que había llevado a cabo. El código más sencillo que propuso se basaba en analizar las distintas posibilidades. Si se combinan dos bases, el número de posibles aminoácidos sería 4×4=16 que era insuficiente (recordemos que eran necesarias al menos 20 combinaciones para poder codificar los 20 aminoácidos naturales). Por tanto, Gamow avanzó que debían ser tres las bases que deben combinarse para codificar cada aminoácido. De esa forma era posible componer 4x4x4=64 “palabras” de 3 “letras” y Gamow concluyó entonces que debían existir “sinónimos”, es decir combinaciones diferentes que representaban el mismo aminoácido.

Los experimentos de Crick y otros bioquímicos como Ochoa y Niremberg y Khorana (premios Nobel de Fisiología en 1959 y 1968, respectivamente) corroboraron la hipótesis de Gamow de que los aminoácidos se codificaban con tres bases y también resultó correcta la hipótesis de los “sinónimos”. Sin embargo, los códigos con solapamiento a los que Crick se refería en su libro (y que Gamow había propuesto) tenían como característica que los aminoácidos contiguos debían compartir forzosamente alguna de sus bases, una cuestión que fue descartada por los experimentos llevados a cabo por Brenner, premio Nobel de Fisiología en 2002.

La fascinación que conlleva la complejidad de la molécula de ADN es, creo yo, indiscutible. Pero es realmente estimulante comprobar cómo a veces una mirada ajena a un problema abre puertas hasta ese momento invisibles, con consecuencias insospechadas. Son muchos los ejemplos que en la historia de la Ciencia podemos encontrar de estas situaciones, afortunadamente. Este caso de Gamow es particularmente paradigmático, dada la sencillez de la solución que él planteó. Pero lo que sin duda éste ejemplo, y todos los demás, pone de manifiesto es la importancia de la interdisciplinariedad en la investigación, una característica cada vez más usual en la ciencia de nuestros días.