Estudiar una bacteria infecciosa
La abundancia de especies bacterianas que se estudian actualmente en el laboratorio se debe a la larga tradición bacteriológica de finales del siglo XIX. Inicialmente, E. coli, se denominó Bacterium coli y se la describió como la bacteria común del colon. Su nombre actual hace memoria a su descubridor, Theodor Escherich (1857-1911), un reconocido pediatra alemán que, como otros miembros de su disciplina, se interesó por las bacterias porque estaban estrechamente relacionadas con las infecciones infantiles.
Bacterias y tubos de ensayo
A mediados de siglo XX, algunos investigadores reconocieron en la sencillez de la bacteria una herramienta para dilucidar los principios fundamentales de la vida. Su estructura es más sencilla que nuestras células, su crecimiento, rápido y podían emplearse distintos medios para su cultivo en el laboratorio, lo que favorecía las posibilidades experimentales. En ese contexto, investigaciones con numerosas bacterias permitieron la obtención de resultados que se mantienen vigentes en la actualidad.
Los mecanismos básicos de la vida
Hoy en día se sabe que el material genético se encuentra condensado en el ácido desoxirribonucleico (ADN), que se replica y se transmite como herencia a las células hijas; también se transcribe y se traduce para producir todas las proteínas que la célula necesita para funcionar. Éstos son algunos de los principios fundamentales de la vida que hoy aparecen en todos los libros de texto y pueden parecer casi obvios. Pero lejos de ser evidentes se clarificaron a tientas con la ayuda de bacterias, tubos de ensayo e ingeniosas, y a veces descabelladas, hipótesis de algunos brillantes investigadores.
El ADN es el material genético
Algunas bacterias han permitido realizar hallazgos de mayor trascendencia, quizás, que E. coli. En la década de 1940, la bacteria Pneumococcus (Streptococcus pneumoniae) permitió deducir que el material genético era el ADN. Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn MacCarty comprobaron experimentalmente, en 1944, una observación hecha en 1928 por Frederick Griffith. Este investigador infectó ratones con una cepa patógena de la bacteria, que podía producir neumonía pero que estaba muerta, y otra que era inocua y estaba viva. Descubrió que las bacterias inofensivas se convertían en patógenas y esa propiedad se transmitía a los descendientes. Al analizar las posibles moléculas responsables, Avery y sus colaboradores descubrieron que el agente infeccioso era el ADN y se puso fin a una controversia de principios del siglo XX: se demostró que el material genético es el ADN y no las proteínas.
Sexo entre bacterias
En los años 50, Edward LawrieTatum y Joshua Lederberg realizaron experimentos para determinar si las bacterias intercambiaban información genética y si existía reproducción sexual. Utilizaron para ello mutantes de la cepa K12 de E. coli incapaces de sintetizar el aminoácido triptófano y que para sobrevivir necesitan obtenerlo del medio de cultivo. Las pusieron en contacto con bacterias no mutadas de la misma cepa que sí sintetizaban este aminoácido y al cabo de un tiempo algunas de las primeras podían sintetizar el triptófano. Ello demostró que se había producido una transferencia de información de unas bacterias a otras mediante un mecanismo que hoy en día se conoce como conjugación.
Copiar el ADN
En 1957, Matthew Messelson y Franklin Stahl hicieron un experimento que confirmó que la replicación de las hebras de ADN tenía lugar según el modelo semiconservador propuesto por Watson y Crick. Para ello, cultivaron durante varias generaciones, bacteria de E. coli en un medio que como única fuente de nitrógeno tenía el isótopo 15. El ADN sintetizado en presencia de este isótopo pesado es de mayor densidad que el que se produce cuando se sintetiza a partir del isótopo normal, el nitrógeno 14. Luego se pasó a cultivos en los que el nitrógeno era normal (isótopo 14) y se tomaron muestras en diferentes intervalos de tiempo en los que las células habían crecido y su ADN, que contenía el isótopo pesado, se había replicado con isótopo normal. Observaron que tras una replicación el ADN resultante tenía una densidad intermedia y que cuando habían ocurrido dos replicaciones aparecía ADN de densidad ligera junto con el de densidad intermedia. Así dedujeron que la replicación es semiconservativa: cada una de las hebras de la doble hélice se utiliza de molde para ser copiada de modo íntegro. Es decir que para obtener dos cadenas dobles cada cadena del ADN se copia pero no se alarga ni se le se intercalan elementos.
Disección de una bacteria
A mediados del siglo XX, se realizaron algunos de los experimentos más relevantes con E. coli. Han permitido saber que las bacterias son capaces de intercambiar información genética, que la información del ADN se transcribe produciendo un ácido ribonucleico mensajero (ARNm) a partir del cual los ribosomas pueden interpretar el código genético y sintetizar proteínas y también describir un mecanismo de regulación de la actividad de los genes en las bacterias. Pero el descubrimiento que catapultó a E. coli a la cima de los organismos de laboratorio fue el descubrimiento de las enzimas de restricción hacia la década de los 70 y que abrió las puertas a la ingeniería genética.
Mensajeros moleculares
A principios de la década de los 60 E. coli estuvo involucrada de la mano de Sydney Brenner, François Jacob y Jacques Monod en el descubrimiento de la existencia del ARNm que era el encargado de que la información genética del núcleo llegara a los ribosomas del citoplasma para ser traducida a proteínas. Cada gen o conjunto de genes se transcribe a ARN e incluye la misma información que una de las hebras del ADN. Esta información está en el lenguaje de los ácidos nucleicos, que consta de 64 “palabras” en forma de tripletes de bases nucleicas. Ha de ser interpretada en los ribosomas para traducirla al lenguaje de las proteínas, en el que las “palabras” son 20 aminoácidos diferentes. La equivalencia entre los 64 tripletes de bases y los 20 aminoácidos es el código genético.
Modelo operón: regulación de los genes
François Jacob y Jacques Monod describieron un modelo que regula la actividad de los genes en las bacterias, al que denominaron operón. Se trata de una unidad genética funcional formada por un grupo o complejo de genes que regulan una vía metabólica o una determinada función celular. El complejo es capaz de regular la propia expresión de genes en función de la interacción con los sustratos del medio celular. Generalmente, los genes están regulados por una secuencia llamada promotor en donde se inicia la transcripción para sintetizar un RNAm. A continuación del promotor puede existir una región de control llamada operador a la que se le unen proteínas para impedir (represora) o activar (activadora) la transcripción y que se modulan en función de las condiciones que hay en un determinado momento en la bacteria. El operón lac (lactosa), que regula el metabolismo de la lactosa, fue el primer mecanismo regulatorio de la expresión génica a ser dilucidado y es un ejemplo clásico de regulación génica en procariotas. Cuando no hay lactosa en el medio de cultivo el operón está reprimido porque la proteína represora Lac se une a la región operadora e impide que progrese la transcripción. En presencia de lactosa, un derivado de ella se acopla al represor y libera al operador. Ello permite la transcripción de los genes lacZ, lacY y lacA. Las tres proteínas sintetizadas contribuyen a que la lactosa sea introducida en la célula y metabolizada. Cuando ya no existe más lactosa el represor vuelve a ser activo y se une al operador, volviendo así al estado inicial.
La enzima que hace crecer al ADN
A mediados de la década de los 50, Arthur Kornberg realizó experimentos con E. coli para estudiar cómo se copiaban las hebras de ADN. Observó que tenía que haber un segmento de ADN que actuase como molde y un extracto donde debía encontrarse la enzima responsable: DNA polimerasa. También pudo verificar que las dos hebras son antiparalelas y que el ADN siempre es polimerizado desde el extremo 5’ a 3’ (como se proponía en el modelo de Watson y Crick). Más tarde se vio que esa enzima no es la que realiza la replicación del ADN en la célula sino que en esas condiciones tiene actividad 3’ a 5’ (exonucleasa) y sirve para corregir errores del ADN ya replicado.
Cortar el ADN como protección
En la década de los 60, Werner Arber analizó detalladamente el fenómeno de la restricción en E. coli, según el cual las bacterias, para protegerse de los virus que las infectan, cortan el ADN de esos virus. Postuló que las bacterias utilizan enzimas propias que cortan por lugares específicos dentro de la secuencia de ADN para intentar eliminar el ADN vírico que ha penetrado en la célula. Se las llamó enzimas de restricción. En 1970, Hamilton Smith aisló la primera enzima de este tipo en la bacteria Haemophilus influenzae, HindIII. La capacidad de cortar la secuencia de ADN de modo específico ha permitido hacer mapas genéticos de muchos organismos y sentar las bases de la manipulación genética.
Cortar el ADN a propósito
A principios de la década de 1970, los grupos de Peter Lobban y Dale Kaiser y el de Paul Berg realizaron dos experimentos pioneros en la recombinación genética utilizando enzimas de restricción. La idea de ambos grupos era crear un plásmido (fragmento de ADN circular más pequeño que el cromosoma bacteriano y que se replica independientemente) e insertarlo en la bacteria E. coli. En el primer caso, el plásmido se construyó con el gen de la insulina mientras que, en el segundo, fue con lacZ, un gen del operón lactosa. Para introducir el plásmido artificial en la bacteria utilizaron una alta concentración de cloruro de calcio que permeabiliza las membranas de la bacteria, un procedimiento que había desarrollado Morton Mandel. La enzima EcoRI, una de las primeras que se descubrieron y purificaron, se sigue utilizando mucho, pero en la actualidad hay una gran diversidad de enzimas de restricción. Por otro lado, en 1973, Herbert Boyer, Stanley Cohen y colaboradores desarrollaron técnicas para usar plásmidos como vectores para clonar genes foráneos. Pocos años después se creó la primera empresa de biotecnología, Genentech.
