Experimentos históricos: los estudios de Garrod sobre la alcaptonuria, el trabajo Beadle y Tatum con mutantes de Neurospora.

Puntos más importantes:

  • La hipótesis un gen, una enzima establece que cada gen codifica una sola enzima. Hoy en día sabemos que esta idea, en general es correcta (aunque no exactamente).
  • Sir Archibald Garrod, un médico británico, fue el primero en sugerir que los genes tenían relación con las enzimas.
  • Beadle y Tatum confirmaron la hipótesis de Garrod con estudios genéticos y bioquímicos del moho del pan Neurospora.
  • Beadle y Tatum identificaron mutantes del moho del pan que eran incapaces de sintetizar aminoácidos específicos. En cada uno, una mutación había "descompuesto" una enzima necesaria para formar algún aminoácido en particular.

Introducción

Hoy en día sabemos que un gen típico proporciona instrucciones para construir una proteína que a su vez determina las características observables de un organismo. Por ejemplo, ahora sabemos que el gen del color de las flores de las plantas de Gregor Mendel especifica una proteína que ayuda a formar moléculas de pigmento, lo que le da a las flores un color púrpura cuando funciona correctamente.
Sin embargo, Mendel no sabía que los genes (a los que llamaba "factores hereditarios") especifican proteínas y otras moléculas funcionales. De hecho, ni siquiera especuló sobre cómo los genes ejercían su efecto sobre las características observables de los organismos. Entonces, ¿quién fue el primero que hizo la conexión entre genes y proteínas?

Los "errores innatos del metabolismo" según Garrod

Con frecuencia vemos casos donde los avances en la biología básica ocurren dentro del laboratorio. Sin embargo, ¡también pueden ocurrir a lado de una cama de hospital! Sir Archibald Garrod, un médico inglés que practicaba a comienzos del siglo XX, fue el primero en establecer una conexión entre genes y la bioquímica del cuerpo humano.
Garrod trabajó con pacientes que tenían enfermedades metabólicas y observó que estas enfermedades solían venir de familia. Se enfocó en pacientes que tenían lo que hoy llamamos alcaptonuria. Este es un transtorno no fatal en el que la orina de una persona se vuelve negra por que no puede degradar una molécula llamada alcaptón (que, en personas normales sin el trastorno, se degrada en otras moléculas incoloras).1^1
Al examinar los árboles genealógicos de personas con este trastorno, Garrod encontró que la alcaptonuria mostraba un patrón hereditario recesivo, similar a los patrones que Mendel había observado en sus plantas de chícharos. A Garrod se le ocurrió la idea de que los pacientes con alcaptonuria podrían tener un defecto metabólico en la degradación del alcaptón y que el defecto podría ser causado por la forma recesiva de uno de los factores hereditarios de Mendel (es decir, un alelo recesivo de un gen).2^2
Garrod nombró esto como "error innato del metabolismo" y encontró otras enfermedades que mostraban patrones similares. A pesar de que ni Garrod ni nadie más de la época entendía completamente la naturaleza del gen, Garrod es considerado el "padre de la genética química" ya que fue el primero que relacionó los genes con enzimas que desempeñan reacciones metabólicas3^3.

Beadle y Tatum: conectando los genes a las enzimas

Lamentablemente, las ideas de Garrod pasaron en gran parte inadvertidas en su tiempo. De hecho, fue sólo después de que otros dos investigadores, George Beadle y Edward Tatum, llevaron a cabo una serie de experimentos innovadores en la década de 1940, que el trabajo de Garrod fue redescubierto y apreciado. 4^ 4
Beadle y Tatum trabajaron con un organismo sencillo: el moho del pan o Neurospora crassa. Con el uso de Neurospora fueron capaces de demostrar claramente la conexión entre genes y enzimas metabólicas.

Por qué el moho del pan es ideal para experimentos

Te estarás preguntando: ¿por qué Beadle y Tatum escogieron estudiar algo tan desagradable (y aparentemente sin importancia) como el moho del pan?
Bueno... al principio Beadle había planeado trabajar con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, (también un organismo algo desagradable, pero mucho más común en los experimentos de ese tiempo). Sin embargo, al interesarse cada vez más por la conexión entre la genética y el metabolismo se dio cuenta de que Neurospora podría ser más adecuada para responder las preguntas que le causaban curriosidad. Para empezar, Neurospora tenía un ciclo de vida rápido y conveniente que incluye fases haploides y diploides que facilitaban los experimentos genéticos5^5.
Quizás de manera más importante, las células de Neurospora pueden crecer en el laboratorio en medios sencillos (líquidos o sólidos) cuya composición química se conocía al 100% y podía ser controlada por el experimentador. De hecho, las células pueden crecer en medio mínimo, una fuente de nutrientes con solo azúcar, sales y una vitamina (biotina). Las células de Neurospora pueden sobrevivir en este medio, mientras que muchos otros organismos —como los seres humanos— no pueden. Eso es porque Neurospora tiene vías bioquímicas que convierten el azúcar, las sales y la biotina en todos los demás componentes fundamentales que necesita la célula (como aminoácidos y vitaminas).6^6
Las células de Neurospora además crecen fácilmente en medio completo, el cual contiene el conjunto completo de aminoácidos y vitaminas. Simplemente no necesitan de medio completo para poder sobrevivir.

¡Hagamos algunos mutantes!

Si los genes estuvieran contectados con enzimas bioquímicas, Beadle y Tatum pensaron que debería ser posible inducir mutaciones, o cambios en los genes, que "descompusieran" enzimas específicas (y así vías específicas) que se necesitan para crecer en un medio mínimo. Una línea de Neurospora con dicha mutación crecería normalmente en un medio completo, pero perdería la capacidad de sobrevivir en un medio mínimo.7^7
Para encontrar mutantes como estos, Beadle y Tatum expusieron esporas de Neurospora a radiación (rayos X, UV o de neutrones) para generar nuevas mutaciones. Después de unos cuantos pasos de limpieza genética, tomaron descendientes de las esporas irradiadas y las hicieron crecer individualmente en tubos de ensayo que contenían medio completo. Una vez que cada espora había establecido una colonia en crecimiento, una pequeña parte de la colonia se transfería a otro tubo que contenía medio mínimo.
La mayoría de las colonias creció en medio completo o bien en medio mínimo. Sin embargo, unas cuantas colonias crecieron normalmente en el medio completo, pero no pudieron crecer en el medio mínimo. Estas eran las mutantes nutricionales que Beadle y Tatum esperaban encontrar. En el medio mínimo, cada mutante moriría porque no podía hacer una molécula esencial en particular con los nutrientes mínimos. El medio completo "rescataría" a la mutante (le permitiría vivir) al proporcionar la molécula faltante, junto con una variedad de otras moléculas.9^9

Encontrar la vía descompuesta

Para averiguar qué vía metabólica se "descomponía" en cada mutante, Beadle y Tatum realizaron un ingenioso experimento de dos pasos.
Primero cultivaron cada mutante en medio mínimo suplementado con el conjunto completo de aminoácidos o bien el conjunto completo de vitaminas (o azúcares, aunque no examinaremos ese caso aquí). 8,10^{8,10}
  • Si la mutante creció en el medio mínimo con aminoácidos (pero sin vitaminas) debe ser incapaz de producir uno o más aminoácidos.
  • Si la mutante creció en el medio con vitaminas pero no en el de aminoácidos, debe ser incapaz de hacer una o más vitaminas.
Beadle y Tatum precisaron todavía más la vía "descompuesta" en cada mutante a través de una segunda ronda de pruebas. Si una mutante, por ejemplo, crecía sobre medio mínimo con los 2020 aminoácidos, podían someterla a pruebas en 2020 viales distintos, cada uno con medio mínimo más solo uno de los 2020 aminoácidos. Si la mutante crecía en uno de estos viales, Beadle y Tatum sabían que el aminoácido en ese vial debía ser el producto final del la via que estaba interrumpida en la mutante.8^8
Así, Beadle y Tatum relacionaron muchas mutantes nutricionales con vías biosintéticas de aminoácidos y vitaminas. Su trabajo produjo una revolución en el estudio de la genética y demostró que los genes individuales realmente estaban conectados con enzimas específicas. 11^{11}

"Un gen, una enzima" al día de hoy

El vínculo inicialmente descubierto entre los genes y las enzimas se denominó hipótesis "un gen, una enzima". Esta hipotesis ha sufrido algunas actualizaciones importantes desde Beedle y Tatum12,13^{12,13}:
  • Algunos genes codifican proteínas que no son enzimas. Las enzimas son solo una categoría de las proteínas. En las células existen muchas proteínas que no son enzimas y también están codificadas por genes.
  • Algunos genes codifican una subunidad de una proteína, no una proteína entera. En general, un gen codifica un polipéptido, es decir una cadena de aminoácidos. Algunas protéinas se conforman de varios polipéptidos de distintos genes.
  • Algunos genes no codifican polipéptidos. Algunos genes de hecho codifican moléculas de ARN funcional en lugar de polipéptidos.
Aunque el concepto de "un gen, una enzima" no es del todo preciso, su idea central -que un gen típicamente especifica una proteína en una relación uno a uno- todavía es útil para los genetistas hoy en día.
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