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

Puntos más importantes:

  • La hipótesis de un gen, una enzima es la idea de que cada gen codifica una sola enzima. Hoy en día sabemos que esta idea generalmente es correcta, pero algunos de sus detalles se han pulido.
  • Sir Archibald Garrod, un médico británico, fue el primero en sugerir que los genes estaban conectados a las enzimas.
  • Garrod estudió la alcaptonuria, un trastorno genético. Él observó que la alcaptonuria se heredaba de forma mendeliana y que los pacientes con el trastorno carecían de la actividad de una enzima metabólica.
  • Dos científicos estadounidenses, George Beadle y Edward 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 "roto" una enzima necesaria para la síntesis de algún aminoácido en particular.

Introducción

Hoy en día sabemos que un gen proporciona instrucciones para construir una proteína o algún otro producto funcional, el cual 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?
En este artículo veremos cómo se descubrió la conexión entre genes y proteínas a lo largo de décadas gracias a las contribuciones de varios investigadores. En específico, nos enfocaremos en las contribuciones del médico británico Sir Archibald Garrod, que relacionó los genes con las enzimas (proteínas catalíticas) en enfermedades humanas, y las de los bioquímicos estadounidenses George Beadle y Edward Tatum, quienes confirmaron experimentalmente está conexión usando el moho del pan.

Los errores innatos del metabolismo según Garrod

Con frecuencia vemos casos en los que ocurren avances en la biología básica dentro del laboratorio. Sin embargo, ¡también pueden ocurrir junto a la cama! Sir Archibald Garrod, un médico inglés que practicaba a comienzos del siglo XX, fue el primero en establecer una conexión entre genes y enzimas. (Esto fue un logro especialmente impresionante porque el concepto de "gen" ¡todavía era bastante vago en la época!)
Retrato de Sir Archibald Garrod. La fotografía está en blanco y negro, muestra a Garrod mirando unos papeles mientras sostiene sus lentes en las manos.
Imagen modificada de "Archibald Edward Garrod." Imagen original de Frederick Gowland Hopkins (CC BY 4.0).
Garrod trabajó con pacientes que tenían enfermedades metabólicas y comenzó a ver que estas enfermedades solían venir de familia. Por ejemplo, Garrod trabajó con pacientes que tenían alcaptonuria, 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).
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. En un arrebato de lucidez, Garrod tuvo la idea de que los pacientes con alcaptonuria podrían tener un defecto en la enzima que degrada el 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).
Garrod nombró esto como "error innato del metabolismo" y encontró otras enfermedades que mostraban patrones similaresstart superscript, 1, end superscript. A pesar de que la naturaleza del gen no se comprendía completamente en la época —ni por Garrod ni por nadie más— Garrod es considerado "padre de la química genética" —o sea, el primero que relacionó los genes con enzimas que desempeñan reacciones metabólicasstart superscript, 1, end superscript.

Beadle y Tatum: conectando los genes a las enzimas

A pesar de que las ideas de Garrod pasaron bastante desapercibidas en su momento, un número de investigadores se interesaría en las décadas siguientes en la conexión entre genes y enzimas. Entre ellos se encontraban dos investigadores estadounidenses, el profesor George Beadle y su estudiante de posgrado Edward Tatum, que realizaron una serie de revolucionadores experimentos en la década del 40.
A diferencia de Garrod, que estudiaba pacientes humanos, Beadle y Tatum trabajaron con un organismo sencillo (el moho del pan o Neurospora crassa). Con el uso de Neurospora fueron capaces de demostrar elegantemente la conexión entre genes y enzimas metabólicas.

Neurospora puede sobrevivir en medio mínimo

¿Por qué Beadle y Tatum eligieron trabajar con algo tan asqueroso como el moho del pan? Al inicio, Beadle había planeado trabajar con la mosca de la fruta Drosophila (también un poco repugnante, pero era un organismo usado en experimentos con mucha mayor frecuencia en la época).
Sin embargo, al interesarse más por la conexión entre los genes y el metabolismo se dio cuenta de que Neurospora podría ofrecerle una mejor manera de responder las preguntas que despertaban su curiosidad. Para empezar, Neurospora tenía un ciclo de vida rápido y conveniente que incluye fases haploides y diploides que facilitaban los experimentos genéticosstart superscript, 2, end superscript.
Medio mínimo: contiene azúcares, sales y biotina
Medio completo: contiene azúcar, sales, aminoácidos y muchas vitaminas
Sin embargo, tal vez lo más importante es que las células de Neurospora pueden crecer en el laboratorio en medios sencillos (líquidos o sólidos) cuyas composiciones químicas se conocían al 100% y podían ser controladas 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 otros bloques metabólicos que necesita la célula (como aminoácidos y vitaminas).
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.

Los rayos X producen nuevas mutaciones

  1. Obtener esporas de Neurospora.
  2. Irradiar las esporas con rayos X. Ahora, algunas esporas tendrán mutaciones aleatorias.
  3. Cruzar las esporas irradiadas con esporas normales (sin irradiar) y recolectar las esporas de la progenie.
  4. Transferir esporas de la progenie individualmente a su propio tubo de medio completo para que forme una colonia.
  5. Transferir parte de cada colonia a su propio tubo de medio mínimo.
  6. Las mutantes nutricionales se pueden identificar como colonias que crecieron en medio completo, pero no crecieron al transferirlas a medio mínimo.
Diagrama basado en un diagrama similar de Griffiths et al start superscript, 3, end superscript.
Beadle y Tatum sabían que para poder crecer en medio mínimo, las células de Neurospora deben tener las vías metabólicas para convertir nutrientes simples en aminoácidos y vitaminas. Si de verdad los genes están conectados a las enzimas individuales, como lo había propuesto Garrod, debería ser posible inducir mutaciones, o alteraciones en los genes, que "rompieran" enzimas específicas (y, por lo tanto, vías específicas) necesarias para el crecimiento en medio mínimo. Una línea de Neurospora con tal mutación podría crecer con normalidad en medio completo, pero perdería la capacidad de sobrevivir en medio mínimo.
Para encontrar mutantes ese tipo, Beadle y Tatum expusieron esporas de Neurospora (células haploides) a radiación de rayos X y luz ultravioleta, los cuales eran conocidos por 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 otro tubo que contenía medio mínimo.
La mayoría de las colonias crecían ya fuera en medio completo o en medio mínimo. Sin embargo, unas pocas colonias crecían con normalidad en medio completo, pero no podían crecer en lo absoluto en medio mínimo. Estas eran las mutantes nutricionales que Beadle y Tatum esperaban encontrar. En medio mínimo, cada mutante moriría debido a que no podría sintetizar alguna molécula esencial en particular a partir de nutrientes mínimos. El medio completo "rescataría" a la mutante (le permitiría vivir) al suministrar la molécula faltante, junto con varias otras.

Las mutaciones nutricionales interrumpen vías metabólicas específicas

Para averiguar qué vía metabólica se "descomponía" en cada mutante, Beadle y Tatum realizaron un ingenioso experimento de dos pasos.
Primero, cada mutante creció en medio mínimo suplementado con todo el conjunto de aminoácidos o todo el conjunto de vitaminas. Si una mutante sobrevivía en medio mínimo con aminoácidos (pero no en el medio mínimo con vitaminas), Beadle y Tatum sabían que la mutante era incapaz de producir uno o varios aminoácidos. De igual manera, si la mutante crecía en el medio con vitaminas, pero no en el medio con aminoácidos, significaría que era incapaz de hacer una o varias vitaminas.
  1. Comienza con una mutante nutricional. Por definición, las mutantes nutricionales pueden crecer en medio completo, pero no en medio mínimo.
  2. Ahora, vamos a averiguar qué es lo que necesita del medio completo para poder crecer. Para lograrlo, transferimos un poquito de la colonia en cada uno de dos tubos: uno con medio mínimo + el conjunto completo de vitaminas, el otro con medio mínimo + los 20 aminoácidos.
  3. En este ejemplo, la mutante se rescata por la mezcla de los 20 aminoácidos, pero no por el conjunto de vitaminas. Esto indica que la mutación causa que la mutante sea incapaz de sintetizar uno o varios aminoácidos.
  4. Puesto que la mezcla de aminoácidos rescata a la mutante, la siguiente pregunta es: ¿cuál es el aminoácido que no puede producir? Para responder esta pregunta, transferimos un poco de la colonia mutante en cada uno de 20 tubos. Cada tubo contiene medio mínimo adicionado con uno de los 20 aminoácidos.
  5. En este ejemplo la mutante puede crecer en el tubo que contiene medio mínimo + arginina, pero no en ninguno de los otros 19 tubos (o sea que la mutante se rescata con arginina). Esto indica que la mutación de la mutante debe interrumpir la biosíntesis de arginina.
Diagrama basado en un diagrama similar de Griffiths et al start superscript, 3, end superscript.
Beadle y Tatum identificaron con más exactitud la vía "rota" en cada mutante a través de una segunda serie de pruebas. Por ejemplo, si una mutante creció en medio mínimo que contenía los 20 aminoácidos, a continuación la probaban en 20 diferentes viales, cada uno de los cuales contenía medio mínimo adicionado con uno de los 20 aminoácidos. Si la mutante crecía en uno de estos viales, Badle y Tatum sabían que el aminoácido de dicho vial debía ser el producto final de la vía interrumpida en la mutante. Por ejemplo, un número de mutantes podían crecer en medio mínimo que contuviera arginina (pero ningún otro aminoácido), lo que sugeriría que sus mutaciones afectaban enzimas en la vía de biosíntesis de la arginina.
Utilizando este método, Beadle y Tatum relacionaron muchas mutantes nutricionales con vías específicas de la biosíntesis de aminoácidos y vitaminas. Esta relación entre las mutaciones y vías metabólicas específicas proporcionaron un fuerte respaldo a la idea de que un gen estaba conectado a una enzima en particular (y de alguna manera estimulaba su actividad). Experimentos adicionales de los colegas de Beadle y Tatum, Adrian Srb y Norman Horowitz, fortalecieron aún más esta conexión al relacionar mutaciones con pasos individuales de una vía bioquímicastart superscript, 2, end superscript.

"Un gen — una enzima": la versión moderna

El trabajo de Beadle, Tatum y sus colaboradores proporcionaron un fuerte respaldo a la idea inicialmente propuesta por Garrod: que un gen puede proporcionar la información necesaria para producir una enzima en específico. Esta idea fue llamada la hipótesis de "un gen — una enzima" y su concepto básico se ha mantenido hasta el día de hoy. Sin embargo, sus detalles se han editado un poco. Ahora sabemos questart superscript, 4, comma, 5, end superscript:
  • Algunos genes codifican proteínas que no son enzimas. Las enzimas son solo una categoría de las proteínas (en específico, proteínas que catalizan reacciones). Hay muchos tipos de proteínas no enzimáticas en las células y estas proteínas también se codifican por genes. Con esta salvedad, podríamos reformular la hipótesis como "un gen — una proteína".
  • Algunos genes codifican la subunidad de una proteína, no una proteína completa. En general un gen codifica un único polipéptido, lo que significa que es una sola cadena de aminoácidos. Algunas proteínas están compuestas de un polipéptido, pero otras se componen de varios polipéptidos de genes diferentes. Con esta salvedad, podríamos reformular la hipótesis como "un gen — un polipéptido".
    ¡El empalme alternativo es otra excepción! Exclusivamente en eucariontes, algunos genes pueden codificar varios polipéptidos que son similares, pero no idénticos, mediante un proceso llamado empalme alternativo, en el que distintos "trozos" de un gen se seleccionan para usarse durante la expresión génicastart superscript, 4, end superscript.
    El empalme alternativo no ocurre en bacterias ni todos los genes eucariontes experimentan este proceso.
  • Algunos genes no codifican polipéptidos. Algunos genes codifican moléculas de ARN funcional en lugar de polipéptidos. Las moléculas de ARN producidas por estos genes desempeñan importantes tareas en la célula como ayudar en la síntesis de proteínas o regular de la expresión de otros genes.
Aunque hoy en día sabemos que la hipótesis de "un gen — una enzima" no es completamente acertada, su idea central —que un gen especifica un producto funcional dentro de la célula en una relación uno a uno esencialmente— se ha mantenido muy bien y se conserva como un importante principio que guía la genética moderna.
Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

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Referencias complementarias:

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