Momentos cumbre de la Genética

Así es, queridos amigos, motivado por mis lecturas de esta semana, quiero dedicar esta nota a repasar los tres momentos cumbre de la Genética que la pusieron en el tapete como una de las ciencias más importantes de la actualidad.

¿Y cuáles son esos momentos, Martín?

Bueno, sin duda que comenzaremos con Gregor Mendel que fue quien nos legó las leyes de la herencia sin conocer, todavía, cuáles eran los agentes concretos que la permitían.

A continuación, analizaremos el trabajo de Thomas Hunt Morgan que dio un paso más allá reconociendo en los genes los motores que explicaban la herencia sin conocer, todavía, cuál era su estructura, el cómo estaban hechos.

Y finalizaremos con Watson, Crick y Rosalin Russell que, finalmente, dieron con la forma en la que estaban construidos.

Comencemos por introducir la figura de Gregor Mendel, descubridor de las leyes de la herencia.

Gregor Johann Mendel (Heinzendorf, Austria el 20 de julio de 1822​ - Brno, 6 de enero de 1884) fue un fraile agustino católico y naturalista. Formuló, por medio de los trabajos que llevó a cabo con diversa variedad de guisantes y arvejas (Pisum sativum), las hoy llamadas leyes de Mendel que dieron origen a la herencia genética.

Mendel se crió en una granja y asistió a la universidad de Viena en la capital de Austria. Allí, estudió ciencias y matemáticas, lo que resultaría invaluable para sus futuros esfuerzos, realizados durante un período de ocho años en el monasterio donde vivía.

Además de estudiar formalmente las ciencias naturales en la universidad, Mendel trabajó como jardinero en su juventud y publicó artículos de investigación sobre el daño de los cultivos por insectos antes de comenzar su ahora famoso trabajo con Pisum sativum, la planta de arveja común. Mantuvo los invernaderos del monasterio y estaba familiarizado con las técnicas de fertilización artificial requeridas para crear un número ilimitado de descendientes híbridos.

Es interesante que, mientras que los experimentos de Mendel y los de Charles Darwin se superponían en gran medida, este último nunca supo de los del austríaco. Darwin formuló sus ideas sobre la herencia sin conocer las proposiciones detalladas de Mendel sobre los mecanismos involucrados. Proposiciones que continúan siendo válidas, en el campo de la herencia biológica, en el siglo XXI.

Comprensión de la herencia a mediados del siglo XIX

Desde el punto de vista de las calificaciones básicas, Mendel estaba en una posición perfecta para lograr un gran avance en el campo de la genética de entonces casi inexistente, y fue bendecido con el medio ambiente y la paciencia para hacer lo que tenía que hacer. Mendel terminaría creciendo y estudiando cerca de 29.000 plantas de arveja entre 1856 y 1863.

Cuando comenzó su trabajo con las plantas de arvejas, el concepto científico de la herencia estaba arraigado en el concepto de herencia mixta, que sostenía que los rasgos parentales se mezclaron de alguna manera con la descendencia en la forma de pinturas de diferentes colores.

Mendel no estaba interesado en la aparición de sus plantas de arveja per se. Las examinó para comprender qué características podían transmitirse a las generaciones futuras y cómo ocurría exactamente a nivel funcional, incluso si no tenía las herramientas literales para ver qué ocurría a nivel molecular.

Características de la planta de arvejas estudiada

Mendel se enfocó en los diferentes rasgos, o caracteres, que notó que las plantas de arvejas exhibían de una manera binaria. es decir, una planta individual podría mostrar una versión A de un rasgo dado o una versión B de ese rasgo, pero nada en el medio. por ejemplo, algunas plantas habían "inflado" las vainas de guisantes, mientras que otras parecían "pellizcadas", sin ambigüedades en cuanto a la categoría a la que pertenecían las vainas de una planta determinada.

Los siete rasgos que Mendel identificó como útiles para sus objetivos y sus diferentes manifestaciones fueron:

·         Color de la flor:  morado o blanco.

·         Posición de la flor:  axial (a lo largo del lado del tallo) o terminal (al final del tallo).

·         Longitud del tallo:  largo o corto.

·         Forma de la vaina:  inflada o pellizcada.

·         Color de la vaina:  verde o amarillo.

·         Forma de la semilla:  redonda o arrugada.

·         Color de la semilla:  verde o amarillo.

Polinización de la planta de arveja

Las plantas de arveja pueden autopolinizarse sin la ayuda de las personas. Tan útil como esto es para las plantas, introdujo una complicación en el trabajo de Mendel. necesitaba evitar que esto sucediera y permitir solo la polinización cruzada (polinización entre diferentes plantas), ya que la autopolinización, en una planta que no varía para un rasgo dado, no proporciona información útil. En otras palabras, necesitaba controlar qué características podrían manifestarse en las plantas que crió, incluso si no sabía de antemano con precisión cuáles se manifestarían y en qué proporciones.

Primer experimento de Mendel

Cuando Mendel comenzó a formular ideas específicas sobre lo que esperaba probar e identificar, se hizo una serie de preguntas básicas. por ejemplo, ¿qué sucedería cuando las plantas que se criaban de verdad para diferentes versiones del mismo rasgo fueran polinizadas en forma cruzada?

"Cría verdadera" significa que es capaz de producir uno y solo un tipo de descendencia, como cuando todas las plantas hijas son de semillas redondas o de flores axiales. una línea verdadera no muestra ninguna variación para el rasgo en cuestión a lo largo de un número teóricamente infinito de generaciones, y también cuando dos plantas seleccionadas en el esquema se crían entre sí.

·         para estar seguro de que sus líneas de plantas eran ciertas, Mendel pasó dos años creándolas.

si la idea de herencia combinada fuera válida, combinar una línea de, digamos, plantas de tallo alto con una línea de plantas de tallo corto debería dar como resultado algunas plantas altas, algunas plantas cortas y plantas a lo largo del espectro de alturas, como los humanos. Mendel aprendió, sin embargo, que esto no sucedió en absoluto. Esto fue a la vez confuso y emocionante.

Evaluación generacional de Mendel: P, F1, F2

Una vez que Mendel tenía dos conjuntos de plantas que diferían solo en un solo rasgo, realizó una evaluación multigeneracional en un esfuerzo por tratar de seguir la transmisión de rasgos a través de múltiples generaciones. Primero, alguna terminología:

·         la generación principal era la generación P, e incluía una planta P1 cuyos miembros mostraban una versión de un rasgo y una planta P2 cuyos miembros mostraban la otra versión.

·         la descendencia híbrida de la generación P fue la generación F1 (filial).

·         la descendencia de la generación F1 fue la generación F2 (los "nietos" de la generación P).

esto se denomina cruce monohíbrido: "mono" porque solo un rasgo varió, e "híbrido" porque la descendencia representó una mezcla, o hibridación, de plantas, ya que un padre tiene una versión del rasgo mientras que el otro tiene la otra versión. Para el presente ejemplo, este rasgo será la forma de la semilla (redondo contra arrugado). También se puede usar el color de la flor (blanco vs. púrpura) o el color de la semilla (verde o amarillo).

Resultados de Mendel (primer experimento)

Mendel evaluó cruces genéticos de las tres generaciones para evaluar la heredabilidad de las características de una generación a otra. Cuando miró cada generación, descubrió que, para los siete rasgos elegidos, surgió un patrón predecible. por ejemplo, cuando crió plantas de semilla redonda (P1) que se reproducen de verdad con plantas de semilla arrugada (P2) de reproducción verdadera:

·         todas las plantas en la generación F1 tenían semillas redondas. esto parecía sugerir que el rasgo arrugado había sido destruido por el rasgo redondo. 

·         sin embargo, también descubrió que, mientras que aproximadamente tres cuartos de las plantas en la generación F2 tienen semillas redondas, alrededor de un cuarto de estas plantas tenían semillas arrugadas. claramente, el rasgo arrugado de alguna manera se había "escondido" en la generación F1 y resurgido en la generación F2.

Esto llevó al concepto de rasgos dominantes (aquí, semillas redondas) y rasgos recesivos (en este caso, semillas arrugadas). Esto implicaba que el fenotipo de las plantas (cómo se veían las plantas en realidad) no era un reflejo estricto de su genotipo (la información que de hecho se codificaba de alguna manera en las plantas y se transmitía a las generaciones posteriores).

Luego, Mendel produjo algunas ideas formales para explicar este fenómeno, tanto el mecanismo de heredabilidad como la relación matemática de un rasgo dominante a un rasgo recesivo en cualquier circunstancia en la que se conozca la composición de los pares de alelos (cada una de las formas alternativas que puede tener un mismo gen).

Teoría de la herencia de Mendel

Mendel elaboró ​​una teoría de la herencia que consistía en cuatro hipótesis:

1.      Los genes (un gen que es el código químico para un rasgo dado) pueden venir en diferentes tipos.

2.     para cada característica, un organismo hereda un alelo de cada padre.

3.     cuando se heredan dos alelos diferentes, uno puede expresarse y el otro no.

4.    cuando se forman gametos (células sexuales, que en los humanos son células de esperma y óvulos), los dos alelos de cada gen se separan.

El último de estos representa la ley de la segregación, que estipula que los alelos para cada rasgo se separan aleatoriamente en los gametos.

Hoy, los científicos reconocen que las plantas P que Mendel había "criado en verdad" eran homocigotas para el rasgo que estaba estudiando: tenían dos copias del mismo alelo en el gen en cuestión. Dado que la redonda era claramente dominante sobre las arrugadas, esto puede representarse por RR y rr, ya que las letras mayúsculas significan el dominio y las letras minúsculas indican rasgos recesivos. Cuando ambos alelos están presentes, el rasgo del alelo dominante se manifestó en su fenotipo.

Los resultados cruzados monohíbridos explicados.

Según lo anterior, una planta con un genotipo RR en el gen que forma la semilla solo puede tener semillas redondas, y lo mismo ocurre con el genotipo rr, ya que el alelo "r" está enmascarado. Solo las plantas con un genotipo rr pueden tener semillas arrugadas y, por supuesto, las cuatro combinaciones posibles de genotipos (RR, Rr, rR y rr) producen una proporción fenotípica de 3: 1, con aproximadamente tres plantas con semillas redondas por cada planta con semillas arrugadas.

Debido a que todas las plantas P eran homocigotas, RR para las plantas redondas y rr para las plantas arrugadas, todas las plantas F1 solo podían tener el genotipo Rr. esto significaba que, si bien todos ellos tenían semillas redondas, todos eran portadores del alelo recesivo, que, por lo tanto, podrían aparecer en las generaciones posteriores gracias a la ley de la segregación.

Esto es precisamente lo que pasó. Dado que todas las plantas F1 tenían un genotipo Rr, su descendencia (las plantas F2) podría tener cualquiera de los cuatro genotipos mencionados anteriormente. Las proporciones no fueron exactamente 3:1 debido a la aleatoriedad de los pares de gametos en la fertilización, pero a mayor cantidad de descendientes que se produjeron, más se acercó la proporción a exactamente 3:1.

Segundo experimento de Mendel

a continuación, Mendel creó cruces dihíbridos, en los que observó dos rasgos a la vez en lugar de uno solo. Los padres todavía se criaban bien para ambos rasgos, por ejemplo, semillas redondas con vainas verdes y semillas arrugadas con vainas amarillas, con verde dominante sobre amarillo. Los genotipos correspondientes fueron por lo tanto RRVV y rraa.

Como antes, todas las plantas F1 parecían las progenitoras con ambos rasgos dominantes. Las proporciones de los cuatro fenotipos posibles en la generación F2 (verde redondo, amarillo redondo, verde arrugado, amarillo arrugado) resultaron ser 9:3:3:1.

Esto llevó sugirió la sospecha a Mendel de que los diferentes rasgos se heredaban de forma independiente, lo que lo llevó a postular la ley de la distribución independiente. Este principio explica por qué puede tener el mismo color de ojos que uno de sus hermanos, pero un color de cabello diferente; cada rasgo se introduce en el sistema de una manera que es ciega a todos los demás.

Genes vinculados en los cromosomas

Hoy, sabemos que la imagen real es un poco más complicada, porque, de hecho, los genes que están físicamente cerca uno del otro, en los cromosomas, se pueden heredar juntos gracias al intercambio de cromosomas durante la formación de gametos (célula sexual de los organismos multicelulares).

Herencia Mendeliana

como sucede, no todos los rasgos obedecen a este patrón de herencia. Pero los que lo hacen se llaman rasgos Mendelianos.

Cuando se resuelven los fenotipos, se ve que la razón de probabilidad de Verde redondo, amarillo redondo, verde arrugado, amarillo arrugado resulta ser 9:3:3:1. el meticuloso recuento de Mendel de sus diferentes tipos de plantas reveló que las proporciones eran lo suficientemente cercanas a esta predicción para que él concluyera que sus hipótesis eran correctas.

·         nota: un genotipo de rr es funcionalmente equivalente a rr. la única diferencia es qué padre contribuye con qué alelo a la mezcla.

 

Y así llegamos al segundo escalón de esta historia con una nota que fue, al leerla, la que me indujo a escribir esta nota. La misma es de la periodista Noelia Freire y lleva por título:

Cuando una mutación en una mosca consiguió revelar el gran misterio de los genes

¿Quién iba a imaginar que un pequeño insecto, apenas del tamaño de una uña, tendría la clave para resolver uno de los mayores enigmas de la biología?

Noelia Freire

Primer plano de una Drosophila melanogaster.

¿Qué tienen en común una mosca diminuta y los secretos más profundos del ser humano? Quizás pueda parecer una pregunta absurda, pero, en realidad, se trata de la base de una de las historias más increíbles de la ciencia. Es una historia que demuestra que los grandes descubrimientos no siempre nacen de telescopios, cohetes o microscopios súper avanzados. A veces, todo empieza con una simple mutación… y con una mosca que, por alguna razón, nació con los ojos en blanco.

Estamos hablando de la Drosophila melanogaster, aunque quizás te suene más como la mosca de la fruta. Sí, ese insecto que suele revolotear por tu cocina cuando dejas una manzana demasiado tiempo, fue también la clave para resolver uno de los mayores misterios de la biología: ¿dónde están los genes y cómo funcionan realmente?

¿Qué tienen que ver los ojos con la Teoría de la Evolución?

¿Qué tienen que ver los ojos con la Teoría de la Evolución?

UN EJÉRCITO DE MOSCAS Y UN CIENTÍFICO

En los años 20 del siglo pasado, en un pequeño laboratorio de la Universidad de Columbia, en Nueva York, el genetista Thomas Hunt Morgan y su equipo criaban moscas. Pero muchas. Literalmente, miles de ellas vivían en botellas de vidrio alineadas sobre las mesas. Y, aunque algunos de sus compañeros pensaban que aquello era ridículo, Morgan tenía un objetivo claro: descubrir cómo se transmitían los rasgos de una generación a otra.

¿Por qué moscas? Pues bien, la Drosophila tiene muchas ventajas: es barata, fácil de mantener, se reproduce rápidamente, y tiene un genoma sorprendentemente parecido al humano en muchos aspectos. En tan solo 10 días, una nueva generación de moscas está lista, lo que permite a los científicos hacer muchísimos cruces genéticos en poco tiempo.

Sin embargo, un día ocurrió algo inesperado: una de las moscas nació con los ojos blancos en lugar del clásico rojo. Aquellos fue como encontrar una aguja brillante en un pajar. Morgan se dio cuenta de que esa pequeña anomalía podía ser una pista crucial para entender cómo funcionaban los genes. No era solo una rareza, era una oportunidad científica.

Retrato de Thomas Hunt Morgan,

reconocido con el premio Nobel en 1933 por su descubrimiento

EL EXPERIMENTO QUE LO CAMBIÓ TODO

Morgan y su equipo comenzaron a cruzar la mosca de ojos blancos con otras moscas normales, de ojos rojos. En la primera generación, todas las crías tenían ojos rojos. Pero en la siguiente, algunas moscas –y solo los machos– volvían a tener ojos blancos. ¿Por qué esa mutación aparecía solo en machos?

Pues bien, esto llevó a Morgan a una conclusión que marcó un antes y un después: el gen responsable del color de los ojos estaba ligado al sexo, es decir, estaba en uno de los cromosomas sexuales. En los humanos, tenemos cromosomas X e Y que determinan si nacemos con sexo femenino o masculino. Las moscas también los tienen y, por lo que estaba observando Morgan, ese gen estaba claramente en el X.

Hasta ese momento, nadie había demostrado con pruebas sólidas que los genes están en los cromosomas, esas estructuras que se encuentran en el núcleo de las células. Muchos científicos creían que era probable sí, pero al final se trataba sólo de una simple suposición. Así, el experimento con las moscas de ojos blancos fue la primera evidencia directa de que los genes tenían una ubicación física concreta en las células: ya no era una idea abstracta, era real.

Transmisión del carácter "ojos blancos" en D. melanogaster

MAPAS GENÉTICOS Y PREGUNTAS

Pero Morgan no se quedó ahí. Junto con sus estudiantes –entre ellos, algunos futuros premios Nobel –empezó a observar otras mutaciones en la Drosophila: patas más cortas, alas encogidas, cuerpos más oscuros… Cada mutación era como una pista y, al cruzar diferentes moscas, se dieron cuenta de algo más impresionante: algunas mutaciones aparecían juntas más seguido de lo que esperaban por azar.

Eso significaba que esos genes estaban cerca uno del otro en el cromosoma. Así nació la idea de mapas genéticos: representaciones que mostraban la posición relativa de los genes, como si fueran estaciones en una línea de metro. Es decir, ya no solo sabíamos que los genes estaban en los cromosomas, sino que podíamos empezar a dibujar su ubicación.

De pronto, la genética se convirtió en una ciencia mucho más precisa. Se podían hacer predicciones, experimentar, entender patrones hereditarios… Todo gracias a una mosca diminuta y a una mutación aparentemente trivial.

Ilustración de Thomas Hunt Morgan de la recombinación genética (1916).

LA MOSCA QUE CAMBIÓ EL MUNDO

Lo increíble es que, más de un siglo después, la Drosophila melanogaster sigue siendo una de las grandes protagonistas de la ciencia. Aunque suene sorprendente, este pequeño insecto ha ayudado a descubrir rasgos básicos del desarrollo humano, del sistema nervioso, del envejecimiento, e incluso de enfermedades como el cáncer o el alzhéimer.

¿Por qué seguimos usándola? Porque, a pesar de su tamaño, su genética comparte muchos mecanismos básicos con la nuestra. Es decir, estudiar esta mosca es, en cierto sentido, estudiar también nuestra propia biología.

 

Y así pues, llegamos al tercer escalón que fue el descubrimiento de cómo está construido el material genético: Los genes.

Los protagonistas de este importante paso fueron James Watson, Francis Crick y Rosalind Franklin, desconocida y olvidada tercera protagonista cuyo trabajo fue empleado (sin autorización) por los dos primeros y sin siquiera mencionarla en sus presentaciones.

Si, queridos amigos, no es oro todo lo que reluce.

No me voy a extender sobre la desafortunada Rosalind en esta nota porque ustedes tienen a disposición una nota completa sobre ella en este blog, bajo el título: Rosalind Franklin, del 1 de mayo de 2023.

Bien, vamos a por ello:

La estructura del ADN es un descubrimiento muy importante en la historia de la Genética. Fue gracias al trabajo conjunto de James Watson y Francis Crick (y la involuntaria participación de Rosalind) que se logró desentrañar la estructura de esta molécula fundamental para la herencia genética. Su descubrimiento revolucionó el campo de la Biología y sentó las bases para la comprensión de los procesos genéticos y el desarrollo de la biotecnología.

Watson y Crick

James Watson y Francis Crick colaboraron estrechamente en el laboratorio de la Universidad de Cambridge en la década de 1950, donde llevaron a cabo experimentos y análisis que los llevaron a formular el modelo de la doble hélice del ADN. Su trabajo se basó en investigaciones previas de otros científicos, como Rosalind Franklin, Maurice Wilkins y Linus Pauling. Respecto de este último, les cuento que yo estudie Química General, en la facultad, por el libro de Pauling. Sin lugar a dudas fue un personaje destacado lo que lo demuestra el hecho de que es una de las pocas personas en recibir más de un premio Nobel (en Química y de la Paz) y arañar el tercero pues casi logra desentrañar la estructura del ADN antes que Watson y Crick.

Watson y Crick se conocieron en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en 1951. Ambos estaban interesados en la estructura del ADN y comenzaron a colaborar en sus investigaciones.

Ambos científicos estaban fascinados por las investigaciones de Linus Pauling, quien había propuesto una estructura en forma de hélice para las proteínas. Watson y Crick estaban convencidos de que el ADN también debía tener una estructura helicoidal.

A lo largo de varios años, Watson y Crick trabajaron en el análisis de los datos disponibles sobre la composición química del ADN y realizaron numerosos experimentos para confirmar sus hipótesis.

Finalmente, en 1953, Watson y Crick lograron descifrar la estructura del ADN. Descubrieron que el ADN estaba formado por dos hebras entrelazadas en una forma de doble hélice. Además, propusieron que las bases nitrogenadas se unían de manera específica: la adenina con la timina y la guanina con la citosina.

Este descubrimiento revolucionó la biología molecular y sentó las bases para entender cómo funciona la herencia genética. Watson y Crick recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962 por su descubrimiento de la estructura del ADN.

                                                      Doble hélice de ADN 

1.- Resumiendo, Mendel evidenció que existía la herencia de caracteres y que se podía adelantar cual sería su aparición en las sucesivas generaciones. Sin embargo, no supo cuál era el sustento biológico de la misma.

2.- Morgan esclareció ese tema demostrando que el tal sustento eran los genes y los cromosomas. Sin embargo, no supo cuál era la composición de los mismos, cómo estaban estructurados.

3.- Franklin, Watson y Crick dieron, por fin, con la estructura de los cromosomas, completando la tarea.