Ingeniería genética, corta y pega molecular

En los años 70 del pasado siglo se desarrolló una tecnología que ha revolucionado, entre otras ramas de la ciencia: la medicina, la biología, la agronomía e, incluso, la historia. La base fundamental de la ingeniería genética se basa en disponer de herramientas que permiten cortar y pegar genes. Lo que implica cortar con precisión dos enlaces químicos en una molécula que mide 2.6 nanómetros de ancho, es decir, es 20.000 veces más fina que un cabello, y tiene, en el caso del cromosoma humano número 1, una longitud de 220 millones de pares de bases. Nos enfrentamos pues a cortar un segmento concreto en un collar que tiene 220 millones de cuentas y una anchura de dimensiones moleculares, para, a continuación, pegarlo en un nuevo collar de similar tamaño. Y, además, esto debe hacerse con una precisión de una sola base en millones de moléculas idénticas. A pesar de lo que se podría pensar a priori, se ha conseguido que el proceso sea muy sencillo y en cualquier laboratorio de genética del mundo se lleva a cabo rutinariamente. ¿Cómo lo hacen?

Antes de comenzar aclarar que he escrito esta entrada para intentar aclarar alguna de las dudas que una entrada anterior suscitó en Jacob y espero, por supuesto, que genere otras nuevas.

Para poder cortar y pegar ADN se necesitan, evidentemente, dos elementos, ADN y una caja de herramientas molecular. Lo primero ya sabemos como obtenerlo y ahora se trata de echar un vistazo en la caja de herramientas que los biólogos guardan en la nevera. Como no podría ser de otro modo, los instrumentos necesarios para cortar moléculas deben, a su vez, tener un tamaño molecular y, efectivamente, son moléculas, concretamente proteínas bacterianas.
Una de las más utilizadas se denomina EcoRI y se extrae a partir de Escherichia coli. Podríamos ser mal pensados y preguntarnos por qué como fuente de una tecnología que iba a hacer que las siglas ADN apareciesen hasta en la sopa se buscó una bacteria presente predominantemente en la caca (podría haber escrito heces o mierda, pero no lo he hecho porque pretendo que este blog siga siendo teniendo la etiqueta de "Para todos los públicos"). Pero no vaya a pensar que el científico que descubrió la proteína era un coprófago irredento, simplemente E. coli es uno de los organismos más estudiados por la biología.

¿Pero para que quería la bacteria tener una proteína capaz de pulverizar el ADN reduciéndolo a pequeños fragmentos? La proteína EcoRI, es, en realidad, parte de un sistema de defensa del bichito. Cuando un virus intenta infectar una célula, ya sea ésta una bacteria o una célula humana, lo primero que debe hacer es introducir su ADN en la célula y activar las instrucciones codificadas en él para hacerse con el control de la maquinaria celular. Un equivalente humano de lo anterior sería ir a un edificio en construcción, golpear al jefe de obra y sustituirlo, para llevarse a la cuadrilla de albañiles a construirnos un chalé en la sierra mostrándoles unos planos falsos. Para defenderse de estos ataques en los que las instrucciones se sustituyen lo que hacen las células es pulverizar las instrucciones ajenas en cuanto las detectan. Este es el papel de EcoRI, cuando un virus introduce su ADN en la célula EcoRI reconoce que el ADN es extraño y lo corta en pequeños fragmentos. Por supuesto, el sistema de defensa es algo más complejo ya que si EcoRI cortase cualquier fragmento de ADN la célula se quedaría sin sus instrucciones genéticas. Para evitarlo hay otras proteínas que se encargan de modificar ligeramente el ADN celular para que no se pueda confundir con el vírico, pero esto es otra historia que deberá ser contada en otra ocasión. Otro detalle importante sobre esta proteína es que no corta el ADN por cualquier punto, sólo lo hace cuando encuentra la secuencia de nucleótidos GAATTC (Para saber más sobre qué es una secuencia de nucleótidos ver la entrada sobre el código genético). Dicho sea de paso, estas proteínas que catalizan reacciones en el interior de la célula son en realidad enzimas químicos y, por eso, en un alarde de originalidad se les denominó enzimas.

Una vez que tenemos aislada la enzima, EcoRI ¿qué podemos hacer con ella? Si la añadimos a un ADN con la secuencia GAATTC en él será cortado rápida y eficientemente. Este descubrimiento constituyó la base de la moderna genética molecular y les valió a tres microbiólogos el premio Nobel de medicina de 1978. Más tarde se continuó buscando otras enzimas que cortasen otras secuencias distintas, lo que permite elegir el punto de corte a lo largo de la interminable cadena de ADN simplemente eligiendo la enzima. A todas estas proteínas se les denominó enzimas de restricción y hasta el momento de escribir esta entrada se han encontrado más de 3800. Actualmente no es necesario purificarlas a partir de las bacterias en las que se encontraron, para conseguirlas simplemente hay que consultar un catálogo y pedirlas por teléfono.

Para que la tecnología funcione necesitamos, además de enzimas para cortar, enzimas para pegar. Por fortuna las bacterias además de tener enzimas para cortar también tienen otros enzimas llamados ligasas que unen el dos fragmentos de ADN. El proceso completo para, por ejemplo, introducir el gen que hace luminiscente a la luciérnaga en una planta de tabaco, consiguiendo de este modo una bonita planta que brilla en la oscuridad, se reduce básicamente a cortar el ADN del insecto con un enzima, pegar el gen de interés, utilizando una ligasa, a un fragmento de ADN bacteriano e introducirlo en la células de la planta por las buenas o por las malas.

Por supuesto, la tipología y la variedad de herramientas disponible la caja de herramientas de un investigador actual mucho más amplia de lo que se ha visto en esta entrada, tan sólo he explicado sucintamente, las herramientas que, históricamente, propiciaron la explosión tecnológica que representó la ingeniería genética, para otras entradas quedan los métodos por los que se pueden separar los fragmentos de ADN cortados utilizando moldes de comida china, los minicromosomas bacterianos que nos han permitido convertir a las bacterias en trabajadores esclavos o las enzimas que han obrado el milagro de la multiplicación de los panes y los peces.

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ADN, una molécula fácil de copiar

¿Por qué los ratones tienen ratones como hijos y no petunias, colibríes o neumococos? ¿Por qué los hijos se parecen a los padres? Estas sencillas cuestiones han venido espoleando la curiosidad de los pensadores desde tiempos inmemoriales. Es fácil entender como puede crecer un ser vivo, pero ¿cómo se genera uno nuevo? Para explicarlo se incluso se propuso que en el esperma había pequeños hombrecillos ya preformados esperando a crecer. Esta teoría del homúnculo tiene dos problemas fundamentales, colleva una regresión infinita, ya que el homúnculo ha de tener a su vez pequeños hombrecillos en su diminuto esperma, y además es falsa.

Hoy, por fortuna, disfrutamos del privilegio de conocer como a partir de un ser vivo se puede generar otro. La búsqueda de esta respuesta ha sido larga y tortuosa, pero creo que se puede afirmar que el punto de inflexión definitivo se encuentra en un artículo publicado por la revista Nature en 1953 firmado por Watson y Crick. En este trabajo se sugería una posible estructura para el ácido desoxirribonucleico (ADN). ¿Pero que tiene que ver esta estructura con las petunias?

Si la vida no tiene nada que ver con homúnculos, ¿cómo funciona? En los espermatozoides y los óvulos de los elefantes no hay elefantes microscópicos sino las instrucciones para construirlos. Cómo ya vimos las instrucciones están escritas en la molécula del ADN, lo que hace que un orangután fabrique pequeños orangutanes y no pequeños camellos es que las instrucciones presentes en el ADN de los orangutanes y de los camellos son diferentes. Para saber como se puede duplicar un ser vivo lo que hay que saber en realidad es como se pueden duplicar las instrucciones. Si tuvíesemos que dar a alguien unos planos lo primero que haríamos es ir a una fotocopiadora y generar una copia y esto es básicamente lo que hacen las células.

Lo que Watson y Crick descubrieron es cómo se las apañan las células sin fotocopiadoras. El truco que utilizan es tener las instrucciones escritas en una molécula, el ADN, que debido a su estructura es muy fácil de copiar. De hecho, lo que hace extraordinario al ADN es su capacidad para duplicarse, no su química, que es bastante aburrida comparada con la de las proteínas. Si se piensa detenidamente, como lo hizo Schrödinger no debería extrañar que la parte más esencial los seres vivos sea una molécula fácil de copiar ya que la característica más definitoria de un ser vivo es justamente su capacidad de generar nuevos seres similares a si mismo.

El ADN está formado por dos cadenas de nucleótidos. Cada uno de estos nucleótidos es una letra en el libro de instrucciones para fabricar al ser vivo y hay, en el ADN, cuatro tipos de nucleótidos: Adenina (A), Timina (T), Guanina(G) y Citosina (C), es decir, hay cuatro letras disponibles A, T, C y G. El quid de la cuestión es que la información presente en ambas cadenas del ADN es redundante, frente a una A siempre se encuentra una T y frente a una C siempre una G. Si en una de las cadenas está escrito GATACCA en la otra necesariamente encontraremos CTATGGT. Esta complementariedad de las bases se debe a sus propiedades químicas, concretamente a la capacidad de formar enlaces químicos débiles entre ellos. A y T encajan con dos enlaces y G y C con tres, cualquier otra combinación es difícil de obtener e inestable.

Este es el truco que hace que los seres vivos puedan copiarse tan fácilmente, una vez que tenemos una cadena es fácil generar la complementaria porque los nucleótidos saben con quien deben aparearse. Cuando una célula decide dividirse lo primero que hace es duplicar su material hereditario, el ADN. Para ello hace que las dos hebras se separen y utilizando cada una de ellas como molde genera una nueva molécula completa. Este proceso puede repetirse cuantas veces se desee y se acaba obteniendo una legión de clones.

No podría acabar de describir la estructura del ADN sin comentar que tiene que ver la famosa doble hélice con todo esto. Son las dos cadenas redundantes las que forman la doble hélice. La estructura se parece mucho a una escalera de caracol con las barandillas formadas por las cadenas y los peldaños por la parejas de AT y GC. Esta simetría espiral es extraordinariamente bella, pero no olvidemos que el verdadero secreto reside en la complementariedad de la información presente en las dos cadenas que forman la doble hélice, esto es lo que permite que los papas y las mamas tengan hijitos y que la rueda siga girando.

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¿Cómo extraer ADN sin salir de la cocina?

El material hereditario está formado por ADN (ácido desoxirribonucleico), una molécula microscópica encerrada en el núcleo de la célula. Se podría pensar que se necesita un equipo valorado en miles de euros para poder detectarlo, pero no es así, todo lo que se necesita lo tenemos a nuestra disposición en cualquier modesta cocina.

Para extraer el ADN se requiere un plátano (aunque también funciona con cesped), sal de mesa, detergente, alcohol frío, un filtro de café, una batidora, agua (mejor si es agua destilada para la plancha) y una cerveza fría. Lo primero que hay que hacer es batir el plátano en una taza de agua (si estuviesen en un laboratorio con bata blanca y no en la cocina de vuestra casa con un delantal la batidora se denominaría homogeneizador). Al batir el plátano lo que conseguimos es romper sus células y así exponemos todas las piezas que las forman, ADN incluido, a lo que les vamos a añadir a continuación.

En una taza mezclar suavemente, sin formar espuma, una cucharada de jabón con una pizca de sal y dos cucharadas de agua. Añadir dos cucharadas del batido de plátano a la mezcla corrosiva que acabamos de preparar, mezclar con una cucharilla y dejar reposar 10 minutos. Durante este paso el jabón estará disolviendo las membranas celulares y liberando el ADN.

Mientras transcurren los 10 minutos hay que abrir la cerveza y verterla en un vaso pre-enfriado en el congelador. A continuación, y sin dar tiempo a que se caliente, debe introducirse en el estómago del investigador. Este paso se suele obviar en los laboratorios profesionales por miedo al que dirán, pero dado que estamos en nuestra cocina podemos obviar esos recelos. Los menores de edad pueden quedar bien servidos con cualquier bebedizo azucarado.

Transcurridos los 10 minutos el ADN "platánico" habrá abandonado su antigua morada celular y flotará libre en el agua. Para deshacernos de todos los restos del plátano que no queremos filtramos la mezcla utilizando el filtro de café. Esto puede tardar entre 5 y 10 minutos y durante este tiempo podemos continuar con el estudio de la coloración del fermentado de cebada.

Para terminar hay que añadir el líquido que hemos filtrado a un tubo transparente con alcohol frío. Si todo ha ido bien el ADN aparecerá como unos hilos blancos flotando en el etanol, lo que técnicamente se conoce como medusa. En este punto reside el meollo de la cuestión, el ADN no es soluble en el alcohol y precipita formando estas hebras. Con una aguja y un poco de paciencia puede usted recoger la molécula fundamental de la vida, el material genético del plátano, lo que hace al plátano ser un plátano y no una oruga, y hacerse un collar con él.

Una receta más detallada, aunque en inglés, se puede encontrar en el sitio web de PBS. Este procedimiento puede parecer sencillo y tosco pero es muy similar a la que se utiliza diariamente en los laboratorios de genética molecular de todo el mundo para extraer el ADN de todo tipo de muestras. Por supuesto en los laboratorios de verdad no utilizan jabón de cocina, ni alcohol de quemar sino productos químicamente puros, pero la idea general y el procedimiento general son idénticos. Si se ha quedado con ganas de continuar con la investigación genética en el futuro tal vez expliquemos como ver el ADN fluorescente metiéndolo en moldes de comida China. Hasta la fecha diviértase explicándoles a sus vecinos y conocidos como conseguir aprehender el secreto de la vida con un plátano y una cerveza.

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El código genético es universal (o casi)

A pesar de la insistencia de los medios de comunicación generalistas los investigadores no han puesto en marcha numerosos proyectos genoma para descifrar distintos códigos genéticos. El código genético fue descifrado por Khorana, Holley y Nirenberg y en 1968 se les concedió el premio Nobel por tal azaña. Este código universal, es compartido con sutiles diferencias por todos los seres vivos del planeta, desde las bacterias a las plantas pasando por los seres humanos. Esta es de hecho una de las principales evidencias de que toda la vida forma una gran familia. ¿Pero hay realmente un código dentro de las células? ¿Y quién descodifica qué?

Para entender qué es el código genético hay que empezar por ver las células como fábricas complejas formadas por millones de máquinas más pequeñas. Estas máquinas moleculares cumplen diversas funciones: calderas, fotocopiadoras, escobas, cadenas de transporte, etc. Esas máquinas moleculares son las proteínas y cada una cumple una función específica dentro de la fábrica celular.
Estamos acostumbrados a que las máquinas que creamos estén compuestas por piezas creadas ex profeso, por ejemplo, cada modelo de automóvil va equipado con unos faros con una forma exclusiva. Pero esto es caro como todos bien sabemos. Las máquinas celulares son más económicas y lo consiguen utilizando piezas estándar, como las construcciones del Lego. Existen unas cuantas piezas llamadas aminoácidos y todas están compuestas por los mismos. Tan sólo hay 20 aminoácidos naturales y mediante combinaciones de los mismos se crean todas las máquinas protéicas de los seres vivos. La mayor diferencia con el Lego es que los aminoácidos están engarzados en una cadena como las cuentas de un collar no montados unos encima de otros.
¿Y qué tiene que ver la genética y el dichoso código con todo esto? Ya hemos visto que estamos formados por máquinas protéicas, pero ¿cómo saben las células cómo construirlas? ¿Dónde están los planos? Cada célula tiene un juego completo con los planos de todas las máquinas necesarias para construir al ser vivo, eso es el genoma. El genoma es un libro escrito con tan sólo 4 letras (A, C, T y G) también conocidas como nucleótidos. Este libro del genoma está compuesto por capítulos, cada capitulo es un gen y cada gen es el plano para hacer una proteína completa.
Recapitulemos empezando por el genoma. El genoma contiene, en el núcleo de cada célula, los planos completos para construir al ser vivo. En el caso de los seres humanos estos planos están compuestos por unos 3000 millones de letras. Para cada máquina necesaria hay un capítulo, un gen, en el genoma. Pero, ¿si hemos dicho que el genoma está escrito con 4 letras como es posible que codifique máquinas que están formadas por 20 piezas distintas? Cada posición del genoma podría codificar sólo para 4 aminoácidos distintos, ¿como consigue codificar los 20? Utilizando 3 posiciones, por ejemplo la combinación TCT significa Serina. Es decir, para saber como construir una proteína hay que leer la secuencia de letras del gen de tres en tres, como si se tratase de palabras, cada una de estas palabras de tres letras codifica para uno de los 20 aminoácidos. ¿Y por qué tres y no dos o cuatro? Porque es el número mínimo de posiciones necesario para codificar 20 palabras con tan solo 4 letras, con 1 o dos posiciones no se podría escribir 20 palabras distintas y 4 posiciones serían un derroche. El código genético es la tabla de correspondencias entre las palabras de tres letras con las que están escritos los genes y las 20 piezas que forman todas las proteínas de los seres vivos.
Sorprendentemente esta inteligente solución al problema es universal, es decir, todos los seres vivos utilizan la misma tabla de códigos para convertir los genes en proteínas desde los colibrís a las bacterias. Esto hace posible que si se introduce el gen de la insulina humana en una bacteria, este minúsculo bichito sea capaz de decodificar las instrucciones del gen humano sin problemas de traducción. La razón de esta coincidencia del códigos es clara, el código se originó y se fijó para siempre antes de que los linajes evolutivos de las bacterias, los colibrís y los pinos se separasen. El código genético se fijó poco después de la formación de la tierra y se ha mantenido prácticamente sin cambios en todos los seres vivos que han vivido durante los 3500 millones de años posteriores. ¿Y si el código ya está claro qué pretenden los proyectos genoma? Averigüar las instrucciones, el genoma, para construir todas las máquinas que hacen funcionar a los seres vivos. En el caso del genoma humano ya las tienen, pero esto es otra historia que será contada en otra ocasión.

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