cincuenta años de adn la doble hélice

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CINCUENTA AÑOS DE ADN
LA DOBLE HÉLICE

PEDRO GARCÍA BARRENO, ED.
ESPASA FÓRUM – ENSAYO y PENSAMIENTO
SOCIEDAD ESTATAL DE CONMEMORACIONES CULTURALESMADRID 2003
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Jan Cossiers (siglo XVII) - Museo del Prado, Madrid.

«Behold’st thou not two shapes from the east and west
Come, as two doves to one beloved nest,
Twin nurslings of thee all-sustaining air
On swift still wings glide down the atmosphere?»

Percy Bysshe SHELLEY
(Prometheus Unbound, Act I)

A Francis Harry Compton Cricck
Y James Dewey Watson.
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INTRODUCCIÓN

«We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose acid (D.N.A.). This structure has novel features
which are of considerable biological interest».

Esas palabras representan la culminación de un brillante trabajo que supuso la llave de la biología
molecular y de la biotecnología. James Dewey Watson y Francis Harry Compton Crick resolvieron el
rompecabezas formado por las diferentes piezas confeccionadas por diversos científicos y cuyo resultado —–
A structure for deoxyribose nucleic acid— fue publicado por la revista Nature en su número 4356,
correspondiente al día 25 de abril de 1953. El trabajo —conciso, comprensible y sólido— establece cuatro
características incuestionadas: la molécula de ADN está formada por dos cadenas, antiparalelas,
complementarias, que se enrollan sobre un eje común de simetría en una conformación en doble hélice. El
trabajo concluye:

«It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible
copying mechanism for the genetic material»

Ello despejó las dudas sobre la naturaleza del material genético, hasta entonces en pugna con las
proteínas, y supuso la explosión de la genómica, la consolidación de la medicina molecular y el despegue de
una industria de imprevisible futuro. Tal vez, el trabajo más influyente de la biología contemporánea.
Todo ello hace que las «bodas de oro» de la «doble hélice» sean un acontecimiento celebrado por los
científicos, para quienes ha supuesto una herramienta conceptual inagotable, y por la sociedad, para la que
abrió las puertas a una nueva medicina y a una industria sin fronteras.

La ciencia, en ocasiones, se comporta más como un péndulo que como el camino de
progreso descrito, normalmente, en los libros y en los medios de comunicación. Una idea
puede oscilar entre dos extremos. Una de ellas es si los genes son o no, reales. En efecto,
durante los últimos 150 años, la idea de la herencia ha estado sometida a las oscilaciones de
un péndulo conceptual entre un gen real y otro abstracto1.
La palabra «gen» fue acuñada por Wilhelm Ludvik Johannsen, un botánico danés que
presenció el cambio secular del XIX al XX. Durante los cuarenta años precedentes, Gregor
[Johann] Mendel, Charles Darwin y muchos otros científicos habían propuesto teorías de cómo
los rasgos hereditarios pasaban de una a otra generación. Para Mendel, el padre canónico de
la genética, los caracteres —Merkmale— deberían yacer en el núcleo de la célula, pero no
distinguió entre los rasgos observables y los elementos hereditarios que los producen. Para
Mendel, tales elementos eran pura abstracción. Una abstracción útil para comprender los
patrones de herencia.
Los elementos hereditarios propuestos por Darwin fueron más tangibles. Desconocedor
del trabajo de Mendel, Darwin dio a conocer su hipótesis de la pangénesis en 1868; los
caracteres hereditarios eran transportados en unas partículas —gémulas— cuya gemación
ocurría en todos los tejidos del organismo, siendo recolectadas en las células reproductoras
donde permanecían en espera de pasar a la progenie. Al físico James Clerk Maxwell no le
gustó la idea: «Algunos exponentes de la teoría —manifestó Maxwell— intentan eludir la
dificultad de ubicar un mundo de maravillas en un corpúsculo tan pequeño [las gémulas]
privado de una estructura definida». Algo equivalente al misticismo.
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1. Comfort, N.C. (2001) Are genes real? Natural History, 110 (5): 28-37.
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Sin embargo, en la última década de los 1800s ni la teoría de Mendel ni la teoría de
Darwin tenían influencia alguna. Mendel murió en 1884 y su publicación seguiría ignorada
hasta la vuelta del siglo, y la pangénesis fue, simplemente, rechazada. Las teorías de la
herencia construidas en las décadas de 1880s y 1890s, también asumieron la existencia de
partículas hereditarias reales, físicas, que recibieron nombres exóticos como «ids», «bióforos»
y «pangenes».
Cuando los principios de Mendel, con su concienzudo tratamiento matemático de la
herencia, fueron redescubiertos en 1900 el péndulo osciló hacia las teorías abstractas del gen.
William Bateson, un biólogo inglés, vio en las unidades abstractas un arma útil para atacar la
idea darviniana de las variaciones continuas en la naturaleza. Thomas Hunt Morgan, un joven
embriólogo norteamericano siguió los pasos de Bateson. En 1903, Walter Stanborough Sutton,
un citólogo de igual nacionalidad, ofreció una explicación de los principios de Mendel
sugiriendo que los elementos mendelianos se localizaban en los cromosomas. Dos años
después, el genetista Nettie Stevens, uno de los primeros estudiantes de Morgan, demostró
que el sexo estaba asociado con un misterioso y accesorio cromosoma (cromosoma X).
Morgan, sin embargo, se mostró escéptico; pero en 1910, abruptamente, tomó la dirección
opuesta. Experimentos de cruzamiento revelaron que el color de los ojos se heredaba junto con
un “factor” que determinaba el sexo. Los resultados de Sutton no pudieron ignorarse: color de
los ojos y sexo estaban ligados por asociación con el cromosoma X.
Morgan y sus discípulos hicieron a los genes, otra vez, reales. Durante los años
siguientes desarrollaron los primeros mapas génicos, asignando los genes para diversos
rasgos en diferentes cromosomas, y midieron la distancia entre genes en términos de la
probabilidad de que dos rasgos se heredaran juntos. Para aquellos genetistas de la mosca un
gen era algo parecido a un locus, un punto físico en un cromosoma. En 1922, Hermann Joseph
Muller, otro de los estudiantes iniciales de Morgan, fue más lejos describiendo los genes como
partículas ultramicroscópicas.
Los integrantes de esta “clásica” escuela de genética ignoraron la cuestión de la
composición de los genes; el interés lo centraban en qué hacían. Trabajando con el hongo
Neurospora, George Wells Beadle, un genetista, y Edward Lawrie Tatum, un químico por
formación, apuntaron una elegante contestación en 1941. Identificaron mutaciones genéticas
que interrumpían pasos específicos en la síntesis de una molécula compleja. Conocían por los
bioquímicos que cada paso metabólico está catalizado por una enzima particular; concluyeron
que cada mutación noqueaba una enzima. En genética clásica los genes habían sido definidos
como “cosas” que, cuando mutaban, cambiaban un rasgo: una mutación, un gen. Beadle y
Tatum redefinieron la definición mostrando que un gen era «algo» en un cromosoma que
especificaba una enzima: un gen, una enzima. Según el trabajo de Beadle y Tatum fue siendo
aceptado, más y más científicos se fueron adhiriendo a la hipótesis de la realidad de los genes.
Cuando, en 1953, James Dewey Watson y Francis Harry Compton Crick publicaron sus dos
trabajos describiendo la doble hélice de ADN, el que esta molécula es el material genético era
una idea ampliamente aceptada. La genialidad del modelo W-C fue que la estructura de la
molécula y la estructura del gen son una y la misma cosa. Quedó establecido que un gen era
una secuencia particular de subunidades nucleotídicas en las bandas del ADN (Capítulos 1 -
3).
Para la mayoría de los genetistas el descubrimiento de la doble hélice zanjó,
inequívocamente, el debate a favor de la realidad génica, aunque quedó algún incrédulo.
Cuentan que el bioquímico ruso Vladimir Engelhardt relataba una anécdota sucedida en un
encuentro con su compatriota el agrónomo Trofin Denisovich Lysenko, quién había abjurado de
Mendel y de Darwin. Lysenko, ante un vial de ADN liofilizado, exclamo: «El ADN es un ácido;
los ácidos son líquidos; eso es un polvo. No puede ser ADN».
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Pero no habían pasado más de cuatro años de la publicación de Watson y Crick, cuando el
suelo bioquímico se tambaleó de nuevo. Seymour Benzer, un físico reconvertido en genetista
viral, de la Universidad de Purdue, propuso que existía más de un tipo de gen, y sugirió el
término «cistrón» para referirse a un segmento de ADN que codifica una proteína. En esencia,
el cistrón era el gen de Beadle y Tatum expresado en el lenguaje de Watson y Crick. El término
hizo mella y aún se utiliza. Por su parte, «recones» y «mutones», otros tipos de gen propuestos
por Benzer cayeron en el olvido. Ello sirvió, sin embargo, para que surgieran fisuras en el
término monolítico de gen.
Mientras tanto, un grupo de genetistas franceses, liderados por Françoise Jacob y
Jacques Monod, mostró que las fronteras de los genes eran más imprecisas de lo que los
biólogos habían supuesto. Primero, los genes trabajan, a menudo, en grupo; Jacob y Monod
describieron el gen como un conjunto de «genes estructurales» que codifican proteínas, y
«genes reguladores» que activan o silencian a aquellos en respuesta a las señales celulares.
Más aún, Jacob y Monod demostraron que los genes no se restringen a los cromosomas;
encontraron elementos génicos libres, denominados episomas y plásmidos, en bacterias, y que
otros investigadores pronto localizaron también en los organismos superiores. Mitocondrias -las
plantas intracelulares productoras de energía- en las células animales y cloroplastos en las
células vegetales poseen sus propios genes, heredando sus características de manera
independiente de aquellas que residen en los cromosomas.
En 1967, James Shapiro, un norteamericano que en aquellas fechas trabajaba en
Londres y Sankhar Adhya, de la Universidad de Wisconsin, dieron otra vuelta de tuerca:
regiones del ADN bacteriano pueden separarse por sus propios medios del lugar que,
normalmente, tienen asignado en el cromosoma y reinsertarse, sin ayuda alguna, en otro sitio.
Llamaron a esas regiones «elementos móviles de inserción». Veinte años antes, Barbara
McClintock, una brillante genetista del maíz en la Institución Carnegie de Washington, había
demostrado que ciertos elementos cromosómicos —no creyó que fueran genes— podían
mudarse, pero fueron Shapiro y Adhya los que primero advirtieron como se desarrollaba dicha
mudanza. Diez años después, los elementos de inserción eran un acontecimiento universal.
Las bacterias los utilizan para pasarse los genes que confieren resistencia a los antibióticos;
una de las principales razones de que las cepas resistentes se difundan con tanta rapidez. Los
elementos de inserción capacitan a los retrovirus (VIH o virus del sida, por ejemplo) para
incorporar sus genes en los cromosomas hospedadores. Hacia 1980, los biólogos habían
aceptado que ciertos genes se mueven, de manera rutinaria, dentro de un cromosoma y entre
cromosomas; dentro de una especie y entre especies. Los genes móviles torpedearon la idea
del gen como un locus en el cromosoma. Un gen pasó a ser «uno o más segmentos de ADN
que especifican una proteína». El ADN es transcrito en un producto intermedio denominado
ARN, que transborda el mensaje genético a los ribosomas, donde es traducido en una cadena
polipeptídica.
En 1977 dos grupos de investigación, uno dirigido por Richard J. Roberts en el Cold
Spring Harbor Laboratory, y el otro liderado por Phillip A. Sharp en el MIT, encontraron que
numerosos segmentos de ADN que constituyen un solo gen se encuentran dispersos en un
cromosoma; segmentos que, una vez transcritos en un preARN serán unidos en la molécula
del ARN mensajero. Más aún, esos mismos segmentos pueden reagruparse combinándose de
diferentes guisas, de tal manera que «un solo gen» es capaz de producir una familia de
productos: un gen, a veces, varias enzimas. Y la historia sigue complicándose. Los biólogos
han encontrado genes dentro de genes, y genes que se solapan. Y, en algunos casos, la
misma secuencia de ADN especifica una proteína si se lee de derecha a izquierda, y otra
proteína cuando se lee de izquierda a derecha. Por su parte, en el fenómeno conocido como
«edición» del ARN, un «salteador» intercepta el ARN en ruta hacia el ribosoma y lo modifica,
con lo que la proteína resultante de la traducción del ARN revisado no corresponde a la
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especificada por el ADN. En resumen, las instrucciones codificadas en el ADN no siempre
alcanzan los ribosomas como una transcripción exacta.
De alguna manera, aunque se ha validado la realidad del gen, éste, de nuevo, se
parece más a un ideal. Poco debe sorprender que algunos, como el historiador y filósofo de la
biología Evelyn Fox Séller, hayan propuesto revisar el término gen y sustituirlo por otro que
exprese mejor el dinamismo de los cromosomas. El ADN no está formado por unidades
discretas con bordes nítidos; lo está por secuencias que metamorfosean, reptan y se reciclan
(Capítulos 4 – 6).
El péndulo sigue su movimiento oscilatorio. De la mano de la secuencia del genoma,
uno de los temas más candentes de la actualidad es la utilización de chips de ADN para
obtener fotos panorámicas de la actividad de los diferentes genes en una célula. El investigador
puede observar, de una tacada, qué genes se activan en una situación determinada. Es una
herramienta poderosa y con un prometedor futuro en biología del desarrollo, en medicina —
diagnóstico y predicción— y en el descubrimiento de nuevos fármacos. También, las
particularidades del genoma permiten identificar sus «huellas dactilares» y bucear en la
evolución de la especie humana. Todo ello de la mano de potentes herramientas de
computación. Por su parte, los chips de ADN, de nuevo, hacen reales a los genes al imponer
fronteras nítidas entre ellos. Y el péndulo completa otra oscilación. El siguiente movimiento
ofrecerá, sin duda, nuevos conocimientos (Capítulos 7 – 14).
Deseo agradecer a la Sociedad Estatal de Conmemoraciones Culturales, y
especialmente a su director Luis Miguel Enciso Recio, su disposición para sumarse a las
diferentes iniciativas que, las distintas instituciones científicas de todo el mundo, han
organizado para celebrar los “cincuenta años de ADN”. Una acción explicitada en la edición,
de la mano de Editorial Espasa Calpe, S. A., de este libro. Mi cordial gratitud y sincero afecto a
los autores —Begoña Aguado, Ángel Carracedo, José A. Melero, Francisco Montero, Lluis
Montoliú, Andrés Moya, Emilio Muñoz, Juan Ortín, José M Sánchez Ron, Eugenio Santos,
Eduardo Úrculo y Alfonso Valencia—, quienes respondieron con prontitud a la llamada para
sumarse a esta iniciativa. Gratitud que hago extensiva a Dolores Cruz, editora. Y, ante todo,
nuestro reconocimiento y felicitación a Francis Harry Compton Crick y a James Dewey Watson,
por su biscincuentenario.

Pedro García Barreno
Madrid, Navidades 2002
PAZ y BIEN
7

Watson y Crick delante del modelo del ADN (En: James D. Watson, The Double Helix. A Personal
Account of the Discovery of the Structure of DNA. A Signet Book – The New American Library,
New York 1969).
8
2

SENDERO DE ADN

Pedro García Barreno

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LOS CIMIENTOS QUÍMICOS

Hacia 1820, hidratos de carbono, grasas y proteínas habían sido reconocidos como
distintos ingredientes de los organismos vivos. Habrían de pasar cincuenta años antes de que
Miescher identificara un cuarto componente. Friedrich Miescher nació, en 1844, en Basilea, en
cuya universidad estudió medicina. Su formación como químico tuvo lugar en el laboratorio de
Felix Hoppe-Seyler, en la Universidad de Tübingen. Su intención fue estudiar la química del
núcleo celular, para lo que necesitó células ricas en «núcleo» y pobres en «citoplasma»:
leucocitos.
Miescher obtuvo leucocitos a partir del pus de heridas infectadas. Lavaba los vendajes
con sulfato sódico para separar las células, eliminando la grasa con alcohol caliente y
disolviendo las células con ácido hidroclorhídrico diluido; ello precipitaba los núcleos, de los
que eliminaba las proteínas mediante digestión con un extracto de estómago porcino (rico en la
enzima proteolítica pepsina). Cuando los núcleos así purificados eran disueltos en álcali diluido
y luego neutralizado, se obtenía un precipitado floculante. Este material, que Miescher
denominó «nucleína», contenía 14% nitrógeno, 6% fosfato y 2% azufre, además de carbono,
hidrógeno y oxígeno. El contenido de nitrógeno era similar al de las proteínas, y el contenido de
fosfato al de la lecitina, un fosfolípido que acababa de descubrirse. Dado que nitrógeno y
fosfato parecía que estaban presentes en la misma sustancia, Miescher concluyó que «es muy
probable que tengamos una sustancia sui generis, no comparable a cualquier otro grupo hasta
ahora conocido»1. La composición elemental sugiere que las primeras preparaciones de
nucleína fueron una mezcla de diferentes componentes. Con todo, el estudio de Miescher de
1869 —publicado en 1871— representa la primera preparación conocida del material que
llegaría a conocerse como «ácido desoxirribonucleico» (ADN). Miescher intuyó que debería
tratarse de una molécula de gran tamaño, y que en el esperma de salmón aparecía formando
un complejo con una proteína básica que denominó «protamina». El trabajo de Friedrich
Miescher había demostrado que un constituyente principal del núcleo celular era una molécula
acídica que contiene nitrógeno y fósforo; sin embargo, la caracterización de este material
correspondió al trabajo de otro discípulo de Hoppe-Seyler, Albrecht Kossel.
Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel nació en 1853, en Rostock (FIGURA 1).
Concluidos sus estudios en medicina, sus trabajos iniciales (1879-1880) se centraron en la
nucleína de levadura, que no se asocia con proteína. Demostró que este material contiene las
bases nitrogenadas xantina e hipoxantina descritas a principios del s XIX y de las que se
conocía su relación con el ácido úrico. Otro compuesto similar, guanina, había sido aislada del
núcleo del esperma. Pocos años después, Kossel descubrió un cuarto componente
nitrogenado que denominó adenina.

1.-Lagerkvist U. (1998) DNA pioneers and their legacy. Yale University Press, ISBN 0-300-07184-1.
En: www.fmi.ch/members/marilyn.vaccaro/ewww/dna.pioner.excerpt.htm (acceso: dic 02).
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Figura 1. Albrecht Kossel (1853–1927)

Las estructuras de tales compuestos fueron determinadas por Hermann Emil Fischer
entre 1881 y 1898. Fischer demostró que guanina, xantina, hipoxantina y adenina, así como
cafeína y ácido úrico, derivaban, todas ellas, de una molécula parental común que denominó
«purina». En reconocimiento de su trabajo sobre la síntesis de azúcares y de purinas, Fischer
fue galardonado con el Premio Nobel de Química 1902.
En 1889, Richard Altmann demostró que la nucleína era un complejo formado por
proteína y un compuesto rico en fosfato que denominó ácido nucleico. Y a principios de los
1890s Kossel, tras separar las bases púricas del ácido nucleico, encontró dos nuevos
componentes nitrogenados a los que llamó timina y citosina; compuestos más simples —
constan de un solo anillo— que pertenecen a una clase de moléculas conocidas como
pirimidinas. Un tercer componente del ácido nucleico —tras la identificación de las bases
nitrogenadas y del fosfato— fue un azúcar, que Kossel aisló del ácido nucleico de levadura en
1893.
El tercero de los grandes químicos que se ocuparon del ácido nucleico fue Phoebus
Aaron Theodor Levene, nacido en 1869, en Sabor, Rusia. Estudió fisiología con Ivan Pavlov y
química con Alexander Borodin. En 1891 emigró a EE.UU., iniciando, en 1896, su trabajo con
los ácidos nucleicos. En aquellos días estaba bien documentado que tales sustancias
constaban de cuatro tipos diferentes de componentes: bases púricas, bases pirimidínicas,
azúcar y ácido fosfórico. Se habían identificado cuatro bases púricas —guanina, adenina,
xantina e hipoxantina— pero pronto de comprobó que las dos últimas no formaban parte de los
ácidos nucleicos. También se conocían tres bases pirimidínicas: timina, citosina y uracilo.
Las investigaciones iniciales de Levene arrancaron de su creencia de que los ácidos
nucleicos jugaban un papel importante en el desarrollo y en la regeneración de los tejidos. En
1899 escribió que «los nucleoproteidos son la clave para comprender como el organismo
repara su desgaste». Si estaba en lo cierto, los diferentes tejidos deberían contener ácidos
nucleicos diferentes; con esa idea, comenzó a analizar ácidos nucleicos procedentes de
diferentes tejidos y diferentes organismos. En 1901 apareció la primera de una serie de doce
publicaciones: Preparación y análisis de diferentes ácidos nucleicos2. Si la variación en la
composición de bases se debía a diferencias específicas de los tejidos o era mero artefacto
experimental, fue la gran pregunta. Para 1907 Levene había abandonado su investigación,
concluyendo que las proteínas nucleares y no los ácidos nucleicos eran las responsables de
las funciones del núcleo en la herencia y en el desarrollo. Sin embargo, no perdió su interés por
los ácidos nucleicos, concentrándose en determinar sus estructuras.

2.-The Rockefeller Archive Center. En: www.rockefeller.edu/archive.ctr/ (acceso: dic 02).
10
Levene aprendió a hidrolizar ácidos nucleicos en unidades más simples, compuestas
por una sola base. Estos bloques estaban formados por la base, fosfato y azúcar, siendo este
último una pentosa (D-ribosa). Levene acuñó el término «mononucleotidos» para este nuevo
tipo de compuestos, sugiriendo que los ácidos nucleicos complejos eran «polinucleotidos».
Levene completó la primera estructura de un ácido nucleico en 1909. Tal estructura fue
confirmada, quince años después, por Alexander R. Todd, quién recibiría el Premio Nobel de
Química 1957 por su trabajo sobre los nucleótidos y coenzimas nucleotídicas (FIGURA 2).

Figura 2. (Izq.) Estructura del ADN propuesta por P. Levene y S. Tipson. Muestra un esqueleto de

azúcar-fosfato, fruto de enlaces fosfodiéster, al que se anclan, vía de las pentosas, las bases

nitrogenadas (Modificada de: J Biol Chem 109: 625, 1935). (Dcha.) Fragmento de ADN tal como fue

imaginado por el grupo de Alexander Todd, en 1951. Los engarces internucleotídicos eran enlaces

fosfodiéster. A Todd y cols., como químicos, les interesaba la forma en que se unían los átomos; la

disposición tridimensional de ellos era un problema de los cristalógrafos (Modificada de: JD Watson,
The Double Helix, pg 40).

EL MECANISMO DE LA HERENCIA

Johann Mendel nació en 1822, en Heinzendorf, Silesia austriaca. Entró en el monasterio
de Santo Tomás, en Brünn (actual Brno), como novicio tomando el nombre de Gregor. Brünn
era el centro cultural y científico de Moravia. La mayoría de los monjes enseñaban en el
Gymnasium de Brünn y muchos de ellos alcanzaron puestos universitarios. La investigación
científica, en particular sobre hibridación de plantas, era una actividad común en el monasterio.
El currículo de Mendel no auguraba un genio científico —en 1856 no fue capaz de concluir los
exámenes de profesor de física e historia natural en la Real Escuela Superior— cuando inició el
programa de experimentos de hibridación con plantas, que le aportaría fama inmortal como
fundador de la genética.
Mendel quiso estudiar la estabilidad de las especies mediante la observación de los
caracteres heredados por la progenie híbrida de varias cepas de plantas. Utilizó guisantes
porque producen híbridos fértiles, se cultivan con facilidad y tienen un tiempo de generación
relativamente breve. Durante ocho años estudió 34 variedades de tres especies. Variedades
que diferían en siete caracteres: perfil y color de la envoltura de la semilla, color del
endospermo, forma y color de la vaina, posición de la flor y longitud del tallo. Mendel realizó