Entendiendo como funciona el Google de nuestras células

Dr. Mario González Jiménez

Las mismas fuerzas que hacen que aceite y agua no se mezclen y estén separados en el liquidillo del fondo de las ensaladas, son las que moldean y sustentan las estructuras celulares y, por consiguiente, la vida. Ellas son las responsables de que las biomoléculas (los compuestos químicos que forman la materia viva) disueltas en el medio acuoso del interior celular, adopten una conformación determinada en función de si las partes de sus estructuras se ven atraídas, como la sal, o repelidas, como el aceite, por el agua.

Pensemos ahora en la biomolécula encargada de guardar toda la información necesaria para fabricar un ser vivo: el ácido desoxirribonucleico o ADN. Esta molécula se parece mucho a una de esas pulseras de las que cada pocas anillas cuelga un abalorio. En el caso del ADN, la cadena está formada por azúcares y fosfatos del que cuelgan las bases que codifican la información genética. Resulta que las bases odian el agua con más fuerza que el aceite y para protegerse de ella enrollan a su alrededor la cadena de azúcares y fosfatos(dos compuestos químicos que son perfectamente afines al agua como bien sabemos los que bebemos Coca Cola,) adoptando la archiconocida conformación de doble hélice.

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Sección de una doble hélice de ADN con las bases protegidas por las cadenas de azúcares y fosfatos representadas por dos bandas de color azul.

De esta forma, nuestro querido código genético está bien protegido en el interior de la molécula a salvo de los productos tóxicos que pululan por la célula y que pueden atacar las bases y causar mutaciones y cáncer. De hecho, está tan bien guardado que la propia célula es incapaz de leer la información si no separa las hebras que componen la doble hélice y expone las bases. Este inconveniente convierte la búsqueda de los puntos donde comenzar la replicación (copia de sus dos hebras a la vez para formar dos moléculas de ADN idénticas) y la transcripción (lectura de la receta para fabricar una proteína) de sus genes en una tarea más complicada que encontrar una aguja en un pajar. Si además tenemos en cuenta que la mayoría de los organismos tienen códigos genéticos largos y para ahorrar espacio en la célula, enrollan su ADN alrededor de proteínas con forma de barrilete , y estas combinaciones se vuelven a enrollar entre ellas, ¡la tarea es como buscar una aguja entre toda la producción de paja de Castilla!

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No, Clippy, no nos puedes ayudar.

Afortunadamente, la célula dispone de mecanismos físicos y biológicos para encontrar dichos puntos, porque si no, no estaríamos aquí ahora mismo. Los mecanismos biológicos pasan por una compleja regulación celular de todos los actores que intervienen en los procesos de replicación y transcripción. Destacan, en el caso de esta última, los factores de transcripción, que son proteínas capaces de reconocer los pequeños cambios de forma que tiene la doble hélice cuando aparecen las secuencias específicas que indican el inicio de un gen. Estos factores señalan, sin abrir el ADN, al resto de las proteínas y enzimas implicadas dónde tienen que comenzar su tarea. La complejidad de la regulación de la transcripción y la rica variedad de factores de transcripción son el motivo por el cual los genes correctos se expresan en el momento adecuado creando una amplia diversidad de células vegetales y animales. Sólo así se entiende por qué somos tan diferentes de una planta, una lombriz y un ratón si, tal y como podemos leer en Muy Interesante compartimos un importante porcentaje de nuestro genoma con ellos.

Los mecanismos físicos por los que el ADN señala los puntos donde comenzar la copia o la lectura de su mensaje son mucho menos conocidos, principalmente por la dificultad de su estudio. La base de estos mecanismos es que el ADN no es la entidad estática que aparece en nuestro libro de biología, en la intro de House, o en Parque Jurásico, sino que en el rango de temperaturas en el que ocurre la vida y debido a esas temperaturas, los átomos que componen la molécula se encuentran vibrando sin descanso. Algunas de estas vibraciones son colectivas e implican movimientos oscilatorios de grupos de átomos unidos. A mediados de los años 80, varios grupos de científicos teóricos demostraron que en el ADN podían existir vibraciones colectivas que viajan por la molécula expandiendo y contrayendo el espacio entre sus bases (estirando y acortando los enlaces débiles que las unen) como si la molécula de ADN estuviera respirando. El ADN se aprovecha de estas vibraciones y donde quiere señalar el punto de inicio de un gen presenta una secuencia de bases concretas que modifican la rigidez, la forma y la temperatura de fusión de la doble hélice en el área. De esta forma, cuando una de esas ondas pasa por ella, el cambio de condiciones aumenta la amplitud de la vibración, llegando a romper los enlaces débiles que unen la doble hélice. Esta ruptura separa las dos hebras y expone las bases al medio, formando un hueco entre ellas que se denomina burbuja de ADN.

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Modelo 3D de una doble hélice de ADN con una burbuja en el centro.

Normalmente una burbuja dura unos pocos microsegundos y se vuelve a cerrar rápidamente debido a la tensión que crea en la hélice (la misma tensión que aparece cuando alguien trata de poner recto el cable helicoidal de un teléfono). Pero si es el momento de la replicación o la transcripción, las enzimas responsables de separar las dos hebras del ADN, como las helicasas, se unirán a la burbuja, estabilizando su conformación abierta y permitiendo que el resto de la maquinaria participante se una al ADN y comience su función.

 Mientras que las burbujas se conocen muy bien y hasta han sido fotografiadas, las vibraciones que las originan no han podido ser medidas hasta hace muy poco. La razón es que, debido a que implican el movimiento de muchos átomos a la vez, estas vibraciones tienen una frecuencia relativamente “baja” (solo vibran alrededor de unos pocos billones de veces por segundo) que coincide con la de otros movimientos de moléculas más pequeñas como la rotación del agua. Como los espectroscopistas tienen que usar luz de la misma frecuencia que las vibraciones para poder estudiarlas, se encuentran que las moléculas pequeñas absorben toda la luz y no dejan ver las débiles vibraciones colectivas del ADN. Una solución al problema ha sido estudiar muestras de ADN seco, aunque los resultados no sirvieran para entender lo que ocurría dentro de la célula ya que, como hemos visto, la conformación del ADN depende del agua. Afortunadamente, en los últimos años, con la aparición de nuevas técnicas, nuevos detectores y nuevas fuentes de radiación se ha podido empezar a abordar el problema y así, por primera vez, se han podido medir y caracterizar las vibraciones colectivas del ADN, aumentando un poquito más nuestro conocimiento sobre su dinámica y dando más relevancia a los mecanismos físicos que participan en la función biológica de nuestra molécula más importante: el ADN.

Por el Dr. Mario González Jiménez, Investigador Postdoctoral de la Universidad de Glasgow. SRUK Delegación de Escocia.

Para información más detallada, consulta la publicación científica: Mario González-Jiménez, Gopakumar Ramakrishnan, Thomas Harwood, Adrian J. Lapthorn, Sharon M. Kelly, Elizabeth M. Ellis y Klaas Wynne. “Observation of coherent delocalized phonon-like modes in DNA under physiological conditions”, Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms11799

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