ADN y ARN: moléculas clave de la vida

El ADN (ácido desoxiribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) son las moléculas que constituyen el genoma humano y determinan lo que somos como especie y como individuos. Más aún estas biomoléculas son la base de la vida, pues constituyen el genoma de todos los seres vivos, desde los más sencillos a los más complejos. Lo que se conoce sobre el ADN y el ARN es el resultado de setenta años de investigaciones en el campo de la biología molecular y bioquímica que abrió la puerta grande para la biología moderna.

J. Meddox, ex-editor de la revista “Nature” al referirse a las revoluciones científicas del siglo pasado, expresó que la teoría especial de la relatividad, la mecánica cuántica y el descubrimiento de la estructura del ADN constituyen los acontecimientos más relevantes para la ciencia en siglo pasado. Las dos primeras corresponden a la física y la tercera a la biología. Las tres produjeron grandes cambios en la concepción de mundo y en la relación de ser humano con el entorno; pero la revelación de la estructura del ADN tuvo un impacto muy grande en la biología: “la revolución del ADN” que se reflejó en el conocimiento de los seres vivos en el nivel molecular, los mecanismos íntimos de transmisión de la herencia, la identidad biológica humana, la estructura y funcionamiento de los genes, los genomas y la intervención en ellos con fines de investigación y aplicación biotecnológica.

El ADN permitió entender la unidad y continuidad de la vida, ya que todos los seres vivientes en el presente están constituidos de ADN en su estructura molecular. Con las técnicas modernas de recuperación del ADN a partir de restos fósiles ha sido posible hallar el ADN antiguo, y, mediante las técnicas de Reacción en Cadena de la Polimerasa, PCR (por la siglas en inglés), obtener miles de copias y secuenciar su constitución con lo cual se compara el ADN antiguo con el extraído de parientes actuales; de ese modo se estableció la relación de parentesco entre los seres vivientes actuales y los de épocas remotas. Se estableció, por este medio, la relación evolutiva que existe entre todos los seres vivientes de la Tierra y el conocimiento de la de código genético dio la prueba incontrovertible de la evolución y de la unidad de todos los seres vivos.

Principales logros en la investigación del ADN y ARN

El conocimiento del ADN parte de las investigaciones de Oswald Avery y colaboradores (1944) quienes establecieron que la información genética está contenida en la molécula de ADN; pero fue la revelación de su estructura efectuada por James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins en 1953, el acontecimiento más trascendente en las ciencias de la vida; seguido por el ARN, el código genético, la síntesis de proteínas. En las últimas décadas se logró conocer la naturaleza de la información genética de las bacterias, que son los microrganismos más sencillos y abundantes de la Tierra, así como de otros de mayor complejidad como protozoarios, hongos, plantas y animales. Más tarde se descubrió el mecanismo de la expresión de los genes, es decir, cómo estos determinan la constitución y funcionamiento de los organismos vivos; su metabolismo, reproducción, adaptación al entorno y evolución.

En la primera década del siglo XXI se logró determinar la secuencia completa del ADN humano y de numerosos especies de plantas y animales, lo que dio inició a la “era genómica” con el desarrollo de la biología y genética molecular y la convergencia de tecnologías modernas como la nanotecnología, biotecnología y la bioinformática, que dio paso a la tecnología del ADN y con ella a la modificación de la molécula: cortar segmentos, reubicarlos en cromosomas de otros organismos, eliminarlos, remplazarlos por otros, es decir la “edición de genes”. (a)

El ADN: Estructura y propiedades

El ADN es una macromolécula comparable a una escalera en espiral, está formada por dos cadenas complementarias en forma de hélice, cuya estructura externa es una sucesión de moléculas de azúcar (la desoxirribosa, de ahí su nombre), alternando con grupos fosfato; entre las dos cadenas se ubican las bases nitrogenadas: adenina A, timina T, guanina G, y citosina C, a manera de peldaños de la “escalera”.

Producto de la evolución molecular en los albores de la vida en la Tierra, el ADN tiene una composición química y una arquitectura molecular muy particular, lo que le confiere características especiales, como son:

Especificidad: por la secuencia de las bases nitrogenadas: adenina, timina, guanina, y citosina.

Mutabilidad: cambio en el orden de las mencionadas bases.

Replicabilidad: capacidad de autoduplicarse en virtud del ensamblaje de una nueva cadena sobre las preexistentes, que le sirven de molde.

Transcripción: en ácido ribonucleico mensajero ARNm y la traducción en la síntesis de proteínas estructurales y enzimas, indispensables para la construcción y funcionamiento de todo ser viviente. (1)

En organismos sencillos como las bacterias el ADN se encuentra formando un anillo, en cambio en los organismos superiores el ADN constituye estructuras complejas: los cromosomas que contienen a los genes, ordenados en forma lineal en cada cromosoma. (En la especie humana se localizan en los 23 pares de cromosomas).

El ADN alcanzó la estructura de doble hélice como resultado de un proceso de selección molecular. La presencia de las dos cadenas da mayor estabilidad a la molécula, facilita su reparación - una vez que se daña por efecto de las radiaciones ultravioletas y otros factores mutagénicos-, asegura la duplicación en dos moléculas gemelas en el proceso previo a la división celular y la consiguiente transmisión de la información genética a la descendencia. Con excepcional fidelidad almacena y transmite la información genética, pero también experimenta cambios que originan la variabilidad genética sobre la cual actúa la selección natural. Apareció en un período temprano en la evolución de la vida y se ha mantenido como tal a través de millones de años de vida en la Tierra. La molécula de ADN es por sí misma una maravilla de la evolución.

ADN: “libro de la vida”

El ADN es el alfabeto en el que está escrito el “libro de la vida”. Mientras nuestro alfabeto tiene 26 letras, el alfabeto genético tiene apenas cuatro letras A, T, G, C que corresponden a las cuatro bases nitrogenadas del ADN, con las cuales se forman tripletes (o palabras de tres letras que tienen un significado propio). Esta similitud con el español - o con cualquier otro idioma- es útil para formar el lenguaje genético y transmitir su significado. Así como una oración expresa una idea, el lenguaje del ADN contiene y transmite las instrucciones para elaborar un producto como es una molécula ARN y a través de ella una proteína.

El trabajo de los genetistas y biólogos moleculares permitió secuenciar el ADN, lo que significa establecer el orden de las bases nitrogenadas ATGCTGCAA…, lo que es equivalente a deletrear una palabra y entender su estructura y su significado o descifrar el código genético. Las investigaciones continuaron y los resultados fueron sorprendentes: el ADN es la “molécula clave de la vida”. La existencia de todo ser viviente depende en último término del ADN; pues en su estructura molecular está contenido el programa (o el plano) sobre la constitución de una bacteria, una planta, un ave o un ser humano.

ARN: estructura, tipos y funciones

El ARN es una molécula similar al ADN pero de una sola cadena, contiene un azúcar de cinco carbonos, la ribosa y la base nitrogenada, el uracilo, en reemplazo de la timina del ADN. Siendo una molécula de cadena única, es más sencilla, es más versátil, pero efímera, pues se desintegra con facilidad, solo está presente unas horas en el citoplasma de la célula donde realiza su función. El ARN interviene en la síntesis de proteínas por medio del ARN mensajero (ARNm) que transmite la información codificada, el ARN de transferencia (ARNt) que transporta los aminoácidos, y el ARN ribosómico, (ARNr) que se localiza en los ribosomas -organelos de la célula- donde se ensamblan las proteínas.

Se afirma con mucha razón que estamos viviendo una nueva revolución en la biología: “la revolución del ARN”. Si las décadas pasadas fueron de la mayor expresión del ADN, la próxima década será del ARN. Al parecer el ARN se ha puesto “de moda” en los medios de comunicación de todo el mundo y se puede afirmar que está desplazado al ADN que tuvo preeminencia entre las biomoléculas. En los círculos académicos es bien conocida la importancia del ARN, no solo como molécula intermediaria en la síntesis de proteínas, por lo tanto en el metabolismo celular, sino porque constituye el genoma de muchos virus, entre ellos el SARS-CoV-2, que ha causado la pandemia más grande que ahora afecta al todo el mundo. El ARN se halla en la composición de los organismos más sencillos y en las grandes ramas del “árbol de la vida” en el “último ancestro común universal” conocido como LUCA (por las iniciales en inglés) que habría surgido hace 3.700 millones de años. (4)

Vacunas de ARN mensajero para el COVID-19

Las vacunas de ARNm protegen contra enfermedades infecciosas de una manera diferente a las vacunas se aplican para prevenir varias enfermedades como la viruela, la poliomielitis, el sarampión y otras que se elabora con los mismos virus que ocasionan las enfermedades, pero atenuados. Las vacunas de ARNm contra el COVID-19 llevan las instrucciones a nuestras células para que produzcan una porción de la “proteína Spike” que forma las espículas del coronavirus (estas por sí solas son inofensivas), pero son esenciales para que el virus se adhiera nuestras células y cause la infección. La administración de la vacuna de ARNm tiene por finalidad provocar la respuesta defensiva de nuestro organismo, ante una potencial infección del coronavirus. En la práctica la vacuna consiste en inocular nanopartículas (microburbujas de lípidos) que contienen 10 cadenas de ARNm, estas van a los ribosomas de las células donde se traduce la información para crear la proteína de la espícula viral. El objetivo de la vacuna es, por lo mismo, provocar una respuesta inmune ante el patógeno específico para evitar que este cause la enfermedad.

La vacuna actúa produciendo copias de la proteína S del coronavirus con el objeto de que sean localizadas por el sistema inmunológico, activen los Linfocitos T que destruyen las células infectadas y generen anticuerpos específicos para el coronavirus; de este modo las vacunas de ARN mensajero contienen instrucciones para que el ser humano fortalezca su capacidad para defenderse frente a una potencial infección viral. La terapia del ARNm contra el coronavirus, el cáncer y otras enfermedades raras se sustenta en las investigaciones de biología molecular realizadas por Katalin Karikó (actualmente trabaja en BioNTech), Drew Weissman y Norbert Pardi, de la Universidad de Pensilvania, quienes consiguieron modificar la molécula de ARNm para hacerle algo más estable y sintetizar las nanopartículas (microburbujas de lípidos que permiten inocular segmentos de ARNm a seres humanos y provocar la reacción deseada. (5) Pero, dado que la molécula de ARN es frágil e inestable, las vacunas de ARNm necesitan ser conservadas, transportadas y almacenadas a temperaturas de -20º. -70º.

El conocimiento de la estructura del ARN y de sus funciones ha permitido despejar ciertas dudas respecto a posibles efectos que tendría la administración de la vacuna de ARN mensajero. Varios especialistas en virología y epidemiología han expresado que, al ser la vacuna de ARNm no causaría ningún efecto negativo en el genoma de las personas que lo reciban, pero advierten que las vacunas deben garantizar la eficacia y seguridad, por lo cual piden actuar con cautela. Las vacunas de ARN mensajero que están desarrollando varios laboratorios farmacéuticos como (Pfizer-BioNTech y Moderna) se hallan en la fase 3 de los ensayos clínicos, han demostrado el 95% de efectividad y han comenzado a ser administradas en varios países.

La aplicación de la terapia del ARN está revolucionando el tratamiento de estas muchas enfermedades. Las perspectivas son muy prometedoras en el campo de la medicina, como en la biología teórica. La búsqueda de una vacuna contra el COVID-19 generó un notable impulso de una línea de investigación poco explorada hasta hace poco: la del ARN. Con este propósito varios países, entre ellos Alemania, Reino Unido y Estados Unidos han asignado importantes recursos financieros y de alta tecnología como: supercomputadoras, inteligencia artificial y acceso a secuenciamientos genéticos. Se conoce que mediante el ARN es posible modular la expresión de ciertos genes para curar o detener el avance de una enfermedad (sin que se produzcan cambios permanentes en el ADN), por lo mismo su aplicación sería más eficaz y segura. Las perspectivas son alentadoras en el ámbito de las ciencias biológicas como en las ciencias médicas.

Bibliografía y netgrafía

1. Ayala, F. 1980. Evolución Molecular. Barcelona, Ediciones Omega, S. A.

2. Rodríguez-Tarduchy, G., Martínez del Pozo A. 2016. ¿Por qué somos como somos? España, Ed. Bonalletra Alcompas, S.L.

3. Díaz, A., Golombek, D. Compil. 2007. ADN cincuenta años no es nada. 2ª.edición. Buenos Aires, Siglo XXI Editores.

4. Briones, C. El ARN está de moda…desde hace 3.800 millones de años. www.culturacientifica.com/ 2020-12-09.

5. Domínguez, N., Galocha, A. ARN, la molécula que nos puede sacar de esta pandemia. http://elpais.com/ciencia/2020-11-28.

Notas

1. En años recientes se ha conseguido modificar los genes mediante la técnica denominada CRISPR-Cas9; esto representa el logro más notable en la biología y la ingeniería genética, que permite introducir cambios la molécula de ADN, con objetivos preestablecidos. CRISPR en traducción al español significa (Repeticiones Cortas Palindrómicas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas).

La técnica CRISPR-Cas9 es una herramienta molecular que se usa para “editar” o “corregir” el genoma de cualquier célula, inclusive las células humanas. Es una especie de “bisturí molecular” de alta precisión capaz de cortar cualquier molécula de ADN eliminar o insertar un segmento ADN. (Un proceso similar a la edición de un texto, que consiste en quitar, poner letras para corregir palabras).

El año 2012 la doctora Emmanuelle Charpentier de la Universidad de Umeá, Suecia y Jennifer Doundna de la Universidad de California, EE.UU. demostraron que se puede aplicar la herramienta para la edición programable del ADN; es decir cortar una secuencia deseada de un genoma, in vitro, e insertar, suprimir, modificar segmentos de ADN, luego situarlo en una posición específica del cromosoma. Las dos investigadoras recibieron el Premio Nobel de Química en este año, 2020, en reconocimiento a su trayectoria científica y el perfeccionamiento de la técnica del CRISPR-Cas9.

Quito, 15 diciembre 2020.