Los microbios, ¿amigos o enemigos?
227 LA CIENCIA PARA TODOS
BIOLOGÍA
DORA E. JORGE
LOS MICROBIOS, ¿AMIGOS O ENEMIGOS?
Comité de selección de obras
Dr. Antonio Alonso Dr. Francisco Bolívar Zapata Dr. Javier Bracho Dr. Juan Luis Cifuentes Dra. Rosalinda Contreras Dra. Julieta Fierro Dr. Jorge Flores Valdés Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Leopoldo García-Colín Scherer Dr. Adolfo Guzmán Arenas Dr. Gonzalo Halffter Dr. Jaime Martuscelli Dra. Isaura Meza Dr. José Luis Morán López Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. José Antonio de la Peña Dr. Ruy Pérez Tamayo Dr. Julio Rubio Oca Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón Dr. Elías Trabulse
La Ciencia para Todos Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi siempre inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica. A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos. Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través del mar océano, a la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando de forma de pensar y observar cuanto nos rodea. La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos .
Dora E. Jorge
LOS¿AMIGOS MICROBIOS, O ENEMIGOS?
la
ciencia /227 para todos
Primera edición, 2009 Primera edición electrónica, 2010
Jorge, Dora E. Los microbios, ¿amigos o enemigos? / Dora E. Jorge. — México : FCE, SEP, CONACyT, 2009 140 pp. ; 21 × 14 cm — (Colec. La Ciencia para Todos ; 227) Texto para nivel medio y medio superior ISBN 978-607-16-0150-6 1. Microbios 2. Bacteriología 3. Biología 4. Divulgación científica I. Ser. II. t. LC QR41
Dewey 508.2 C569 V.227
Distribución mundial
D. R. © 2009, Fondo de Cultura Económica Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F. www.fondodeculturaeconomica.com Empresa certi cada ISO 9001:2008 Comentarios:
[email protected] Tel. (55) 5227-4672 Fax (55) 5227-4694 La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuere el medio. Todos los contenidos que se incluyen tales como características tipográ cas y de diagramación, textos, grá cos, logotipos, iconos, imágenes, etc. son propiedad exclusiva del Fondo de Cultura Económica y están protegidos por las leyes mexicana e internacionales del copyright o derecho de autor. ISBN
--
-- --
-- (electrónica) (impresa)
Hecho en México - Made in Mexico
ÍNDICE
Prólogo ....... ....... ........ ....... ....... .... 1 3 Introducción........ ....... ....... ........ ...... 15
I. La microbiología........ ....... ........ ....... El descubrimiento de lo invisible . . . . . . . . . . . . . . . . . Los microorganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nace una ciencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . “Enfermedades” de los vinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Microbios y enfermedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El señor de los mosquitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17 17 20 22 25 27 30 33
II. Los virus y otras partículas infecciosas ....... ...... Losvirus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enfermedades causadas por virus . . . . . . . . . . . . . . . . Vacunas e inmunidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sustancias químicas para curar . . . . . . . . . . . . . . . . . . El “mal de las vacas locas” y los priones . . . . . . . . . . . Efectos de los priones en el encéfalo humano . . . . . . . Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34 34 38 40 42 46 49 50
III. La química de la vida ....... ........ ....... .... 51 Compuestos inorgánicos y orgánicos . . . . . . . . . . . . . 51 9
Las moléculas de la célula viva . . . . . . . . . . . . . . . . . . La variedad de moléculas de los seres vivos . . . . . . . . El ADN, molécula de la herencia . . . . . . . . . . . . . . . . . Vida y energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52 54 55 57 59
IV. Células, herencia y microorganismos....... ........ La teoría celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El ser vivo más conocido de todos . . . . . . . . . . . . . . . . La célula es la unidad más pequeña de vida . . . . . . . . Existen dos tipos de células . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La genética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gregor Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El cuadro de Punnett . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61 61 65 66 67 68 69 72
No hubo gloria para Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 La mosca de las frutas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 V. La historia del ADN ....... ........ ....... ..... 78 La herencia en la célula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 La teoría cromosómica de la herencia . . . . . . . . . . . . . 79 La herencia, ¿proteínas o ADN? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 La transformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 El experimento de la batidora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 El virus del mosaico del tabaco . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Los genes dirigen la síntesis de proteínas . . . . . . . . . . 92 El código genético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Moléculas y evolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Bibliografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 VI. Más allá de la imaginación....... ....... ........ La biotecnología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¿Qué es la biotecnología? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Los plásmidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
97 97 98 100
Genes de otros organismos funcionan en las bacterias 102 El regreso a los genes ancestrales de la papa . . . . . . . . 103 Plantas de papa que atrapan insectos . . . . . . . . . . . . . 105 Arañas para la industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Alcohol en lugar de gasolina para los automóviles . . 108 Secuencias de moléculas y computadoras . . . . . . . . . 109 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 VII. Los microbios y el srcen de la vida ... .. ... .. .. ... 111 El Big Bang ... .... .... .... ... .... .... ... .... 111 Nacen los planetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 La“sopa primitiva” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Las células primitivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Bacterias formadoras de depósitos minerales . . . . . . 119 El cambio en la atmósfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Intercambio genético en las bacterias . . . . . . . . . . . . 121 Unos cambios provocaron otros . . . . . . . . . . . . . . . . 122 La diversidad de los seres vivos . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Los seis reinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 23 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Epílogo: ¿Son amigos o enemigos?... .. ... .. .. ... .. .. Glosario....... ....... ........ ....... ....... ...
127 129
11
PRÓLOGO
El conocimiento de la historia de la ciencia nos permite comprender la estrecha relación que guarda la biología con las demás ciencias que utilizan instrumentos, que ha hecho posible mejorar la calidad de observación, como el telescopio espacial Hubble, el uso de espectroscopios con los que se puede determinar la composición química de los cuerpos en el espacio, microscopios cada vez más potentes; así como el uso de aparatos que nos permiten conocer con mucha precisión la edad de las rocas más antiguas y los fósiles que contienen. Galileo Galilei, uno de los fundadores del método experimental y constructor del primer telescopio astronómico; Anton van Leeuwenhoek y su contemporáneo Robert Hooke, fabricaron microscopios, con los que se comprobó la existencia de seres que en su tiempo se les llamó “animálculos” y de pequeñas estructuras que fueron denominadas “celdas”, todos ellos nos permitieron ver al mundo de una manera diferente. Es muy importante saber que cuando se conoció la existencia de los microbios, alguien se cuestionara su srcen y procediera a trabajar con infusiones de heno en frascos herméticos, logró concluir que los organismos microscópicos no surgían de manera espontánea, sino que el aire nuevo, al penetrar en el frasco, hacía surgir la vida en su interior. Alguien ya había de13
mostrado que la vida procede de la vida, al utilizar en sus experimentos moscas y ratones. Un importante grupo de investigadores elabora la teoría celular. Un fraile del monasterio de Brno, en la República Checa, desarrolló los principios básicos de la herencia, casi al mismo En tiempo que se la teoríaundequímico la selección natural. el campo dedesarrolla la microbiología demuestra la falsedad de la generación espontánea, un médico descubre las causas de la infección en las heridas, otro aisló el bacilo de la tuberculosis y es autor de los postulados que se aplican actualmente en los laboratorios clínicos y uno más investigó la fiebre amarilla y elaboró las normas de higiene del ambiente. En el campo de la genética, la teoría cromosómica de la herencia confirma las leyes de Mendel y sientan las bases de la genética moderna,deque conducen a la deducción(ADN), de la estructura de la molécula ácido desoxirribonucleico a partir del trabajo conjunto de físicos, químicos y biólogos. El conocimiento de la teoría de la gran explosión y la determinación del tiempo de formación de la Tierra, los estudios que demostraron cómo se formaron las primeras moléculas orgánicas y el surgimiento de los primeros organismos, la aparición de la fotosíntesis y el cambio de la atmósfera reductora a oxidante y el desarrollo de la teoría endosimbiótica, que nos explica el paso de los organismos simples, procarióticos a los más complejos, eucarióticos. La doctora Dora Elina Jorge relata paso a paso y de manera amena, la historia de la microbiología, que inicia con el primer ser humano que pudo ver los microbios, hasta los hombres que han sido capaces de modificar para su provecho a los demás seres vivos mediante la biotecnología. Su gran capacidad de comunicación facilita al lector la comprensión del tema y sin duda forma en él una actitud en pro de la ciencia y en particular de la biología. Biol. Mario Gómez García
Universidad Autónoma de Nuevo León 14
INTRODUCCIÓN
Nos rodea un universo apasionante e invisible a nuestra mirada: el mundo de los microorganismos. Un mundo asombroso porque los microbios son seres diminutos y extraordinarios que han permanecido ocultos desde hace más de tres mil quinientos millones de años. Durante todo ese tiempo y mediante su metabolismo silencioso, hicieron de la Tierra el lugar ideal para el desarrollo de la v ida en todas sus manifestaciones. Existen microorganismos en todos y cada uno de los lugares de nuestro planeta, desde el fondo de los mares más profundos donde no llega la luzcuerpo. del Sol ni existe el oxígeno gaseoso, hasta nuestro propio Ellos pueden nutrirse de cualquier producto orgánico e inorgánico, realizan la fotosíntesis y pueden vivir en condiciones extremas. Los microbios pueden enfermarnos gravemente pero también nos protegen y brindan la posibilidad de sintetizar múltiples productos para la industria. Éste es un libro escrito especialmente para los jóvenes, no obstante puede leerlo cualquier persona que esté interesada en conocer más sobre el papel de los microbios en el srcen de la vida así como en comprender el desarrollo e integración de 15
la microbiología, la bioquímica, la genética y su relación con la moderna biotecnología. El mundo microbiano guarda aún muchos secretos. Si la lectura de este libro motiva a algún joven a investigarlos, será nuestra mayor satisfacción.
16
I. La microbiología
El descubrimiento de lo invisible
Los microbios permanecieron mucho tiempo ocultos ante la mirada del hombre. Los primeros indicios de su presencia despertaron asombro e incredulidad. Más tarde, cuando se conoció que muchos de ellos eran la causa de enfermedades en los seres humanos, los animales y las plantas, los microorganismos adquirieron fama de seres peligrosos, temibles y dañinos. Los filósofos de la antigua Roma y también los árabes habían hablado ya acerca de la existencia de formas de vida invisibles y algunos, además, se atrevieron a afirmar que los gérmenes del contagio causaban enfermedades al pasar de una persona a otra. Durante siglos los sabios sostuvieron grandes controversias sobre el tema. Lo cierto era que, aunque se vislumbraba la existencia de esos seres diminutos, nadie había podido comprobarla porque los microbios no son visibles a simple vista. Muchos años después de haberse sospechado su existencia, la invención de poderosos instrumentos ópticos, los microscopios, permitió ver los objetos invisibles a simple vista; entre ellos estaban los minúsculos seres vivos cuya existencia habían previsto los antiguos pensadores. El uso del microscopio permitió demostrar la existencia en casi todas partes de organismos vivos diminutos. Estaban presentes en los lugares 17
más insospechados: muestras de agua, tierra, plantas o animales vivos. Un holandés aficionado al arte de pulir lentes, Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) fue el primer hombre que observó los microbios. En la década de 1670, mientras descansaba de su trabajo como comerciante, este artífice construyó diminutas lentes biconvexas montadas sobre láminas de cobre y plata que sostenía cerca del ojo. Para ver los objetos, los colocaba sobre la cabeza de un alfiler y los miraba a través de los lentes. De esta manera pudo descubrir la presencia de glóbulos rojos en la sangre y cómo ésta circula en la oreja de un conejo y en la pata de una rana. También observó con su microscopio simple, en el agua de un estanque, bacterias y otros organismos formados por una sola célula. Pudo observar y dibujar además los espermatozoides de los seres humanos y de los insectos. Más tarde describió las tres formas distintas de las bacterias: bacilos, cocos y espirilos (figuras i.1, i.2 y i.3). Este artífice envió sus dibujos a la Real Sociedad de Londres, formada por científicos prestigiosos de la b
a Figura i.1. Bacterias de forma alargada (bacilos): a) bacilo, b) diplobacilo. 18
a
b
Figura i.2. Bacterias de forma redondeada (cocos): a) coco, b) diplococo.
Figura i.3. Bacterias alargadas y flexibles (espirilos).
época en una serie de cartas desde 1676 hasta su muerte en 1723. Como compensación fue elegido miembro de dicha sociedad. Leeuwenhoek construyó lentes prácticamente perfectos y mantuvo en secreto su arte, por eso no fue posible volver a observar bacterias hasta la invención del microscopio compuesto dos siglos después (Frobisher, 1968). Por esa misma época, en 1665, un inglés llamado Robert Hooke observó en un microscopio diseñado por él, cortes finos de corcho y describió “multitud de cajitas” a las cuales nombró “células” por su parecido con las celdas donde viven los monjes. Hooke afirmó que en el corcho las células están vacías pero en los árboles vivos y otras plantas, esas células están llenas de jugos (Audesirk, 2003). Los microorganismos
Hoy sabemos que los microbios o microorganismos forman un grupo muy amplio, compuesto por varios tipos distintos de se-
Figura i.4. Microscopio usado por Robert Hooke. 20
res vivos; ellos tienen en común una cualidad muy importante: la de ser pequeños, por lo general, menores de un milímetro. Su tamaño se mide en micrómetros. Un micrómetro es la millonésima parte de un metro. Es por eso que estos seres no se ven a simple vista. La palabra microorganismo significa organismo microscópico. Este grupo de seres vivos, cuya propiedad común es la de ser muy pequeños e invisibles sin la ayuda de instrumentos ópticos, en realidad está formado por varios tipos diferentes entre sí, tanto en su forma como en las funciones que realizan en la naturaleza. Son microbios las levaduras, como las que producen la fermentación del pan y la cerveza. También las bacterias son microbios. Muchas de ellas son conocidas por las enfermedades que provocan y otras porque habitan en nuestro propio cuerpo sin causar daño, como es el caso del bacilo intestinal cuyo nombre científico es Escherichia coli y es en nuestros días la clave de la genética moderna (Bregere, 1982). El moho del pan es también un microbio; este hongo filamentoso puede observarse sobre el pan cuando se deja en lugares húmedos.
Figura i.5. Los hongos de sombrerillo pueden encontrarse en lugares húmedos y sombríos. 21
También son muy conocidos los llamados hongos de sombrerillo, muchos de ellos comestibles como los champiñones, aunque también existen especies venenosas. Más adelante veremos que los virus, como el de la gripe y el de la rabia, aunque pequeñísimos no forman células, por eso se diferencian del resto de los microbios. Todos estos tipos de seres vivos diminutos se pueden estudiar en el laboratorio mediante métodos relativamente sencillos; los microorganismos se cultivan en medios especiales para su crecimiento, que pueden ser líquidos y sólidos y contienen los nutrimentos necesarios. El cultivo se realiza en una incubadora que mantiene la temperatura y humedad requeridas, condiciones éstas necesarias para su crecimiento. Los microorganismos pueden observarse con gran detalle mediante los distintos tipos de microscopios; las técnicas disponibles permiten verlos vivos, apreciar sus movimientos si los poseen, o fijarlos y teñirlos. Esto último permite determinar, entre otras cosas, su forma, tamaño y modo de agruparse. También es posible estudiar sus estructuras mediante lastécnicas de microscopia electrónica, que revelan datos degran interés. Resulta importante para estudiar un microorganismo conocer su comportamiento fisiológico, las reacciones bioquímicas que lleva a cabo, los mecanismos de reproducción, las características hereditarias y el modo en que éstas se intercambian. Nace una ciencia
La microbiología es una rama de la biología y tuvo su srcen en las investigaciones realizadas por un grupo de científicos a partir de la segunda mitad del siglo xix. En esa época se desarrollaron con gran fuerza métodos de trabajo nuevos, que permitieron explorar con éxito el mundo hasta entonces invisible. Muchos de estos métodos se aplican todavía por los resultados valiosos que aportan. 22
Un químico francés llamado Luis Pasteur fue el iniciador de la microbiología y uno de los grandes científicos que dieron vida a esta ciencia. Luis Pasteur se reconoce como el padre de la microbiología. Una de las investigaciones de Pasteur, quizás la más importante, fue la demostración de la falsedad de la teoría de la generación espontánea. Durante siglos, la idea de que los seres vivos podían surgir de una manera espontánea a partir de la materia no viva fue aceptada casi unánimemente. Según los defensores de la teoría de la generación espontánea, la materia viva se formaba a partir de la materia inanimada. De esta manera trataban de explicar cómo aparecían las moscas y ratones en los basureros, y los gusanos en la carne podrida. Tan fuerte llegó a ser esta creencia que en la Edad Media se ofrecían fórmulas para obtener piojos y otros animales a partir de ropas sudadas. Estos manuscritos se conservan como piezas de museo porque hoy se sabe que en las condiciones actuales del planeta Tierra sólo pueden nacer seres vivos a partir de otros semejantes. Antes de Pasteur ya los científicos habían logrado demostrar que los animales visibles como las moscas y los ratones no se forman de modo espontáneo. Investigadores como Redi y Spallanzani dedicaron años de trabajo a comprobar la veracidad de estas ideas. Francesco Redi (1626-1697) fue un fisiólogo italiano que trabajó durante la segunda mitad del siglo xvii y demostró que los gusanos que aparecen en la carne descompuesta son en realidad larvas de moscas cuyos huevos fueron depositados con anterioridad por ese insecto. Si se cubre la carne con gasa para evitar que las moscas depositen allí sus huevos, la carne se descompone, pero no aparecen larvas ni moscas. Esta demostración permitió a Redi afirmar que la vida procede de la vida. Sin embargo, sus trabajos permanecieron largos años sin ser tomados en cuenta hasta que otros investigadores los repitieron y comprobaron. Pero lo que era algo completamente demostrado en los organismos visibles como 23
las moscas, resultaba todavía una incógnita en el caso de los microorganismos. Otro italiano, Lazzaro Spallanzani (1729-1799), en la segunda mitad del siglo xviii, llevó a cabo una serie de experimentos para demostrar que los “animálculos”, como llamaban a los organismos microscópicos en aquella época, no aparecían espontáneamente en las infusiones de heno y otros caldos de cultivo. Para demostrar esto, Spallanzani calentaba estos líquidos en frascos sellados herméticamente y los dejaba enfriar después. En los frascos tratados no aparecían “animálculos”, pero si se rompía el frasco aunque se tratara sólo de una pequeña grieta en el vidrio, al poco tiempo aparecían seres vivos microscópicos en su interior. La conclusión de este investigador fue que el aire nuevo, al penetrar en el frasco, hacía surgir la vida en su interior. Pasteur, que se oponía resueltamente a la teoría de la generación espontánea y se había propuesto demostrar su falsedad, realizó primero un experimento para comprobar que los microorganismos flotaban en el aire adheridos a las partículas de polvo. Después diseñó y preparó unos frascos especiales con un cuello muy largo y varias curvaturas, llamados frascos en cuello de cisne. El extremo del cuello era abierto de modo que el aire penetraba con libertad, pero los microorganismos no podían hacerlo porque se quedaban atrapados en las curvaturas por efecto de la gravedad. En el interior del frasco, el caldo de cultivo previamente esterilizado permanecía libre de microorganismos, pero si se rompía el cuello de cisne, al poco tiempo aparecían signos de vida microbiana como resultado de la contaminación. Algunos de los frascos en cuello de cisne, preparados por Pasteur, han permanecido estériles durante más de un siglo (Frobisher, 1969). El genio del investigador se puso de manifiesto al diseñar este experimento tan sencillo y al mismo tiempo tan valioso con el cual pudo comprobar, sin lugar a dudas, el papel que desempeñan en la contaminación los microorganismos del aire. 24
Ya antes de lograr este éxito científico Pasteur era un hombre de ciencia conocido por sus trabajos acerca de la descomposición de los alimentos. Este sagaz investigador había observado la existencia de un grupo de microorganismos capaces de vivir perfectamente bien en un ambiente sin oxígeno gaseoso (O2). El científico bautizó a esos microbios con el nombre de anaerobios, por su capacidad de vivir en un ambiente sin aire. Además, demostró que eran ellos los responsables de la fermentación de los vinos y la cerveza. Hoy se conocen los mecanismos bioquímicos mediante los cuales los microorganismos anaerobios son capaces de desarrollarse sin la presencia del oxígeno del aire. “Enfermedades” de los vinos
El vino es tan antiguo como la propia sociedad; las primeras civilizaciones lo preparaban a partir del zumo de las uvas sin conocer que la fermentación se produce debido a la presencia y a la actividad de ciertos microorganismos llamados levaduras. Pasteur expresó que la fermentación “es la consecuencia de la vida sin aire”, y ofreció la primera explicación sobre estos procesos al definirlos como la descomposición de los azúcares sin la presencia de oxígeno gaseoso. En nuestros días se conoce con profundidad la bioquímica de las fermentaciones y el papel que desempeñan los microorganismos en estos procesos, pero la primera explicación científica acerca de la actividad de estos seres vivos diminutos en un proceso de descomposición de materia orgánica, la ofreció en su tiempo Luis Pasteur. Este sabio además investigó y resolvió un problema práctico relacionado con las fermentaciones en el año 1865. Francia tradicionalmente produce vinos de calidad por lo que esta industria es una importante fuente de riqueza para ese país. Por esa época se presentó un problema en la fabricación de los vi25
nos franceses motivado por la llamada “enfermedad” de los vinos. Consistía en una alteración desagradable del sabor lo cual los hacía inferiores a los producidos en otros países como Alemania. Por esa razón estos últimos eran los preferidos en el mercado. Lo mismo pasaba con la cerveza francesa que tenía sabor agrio. Pasteur encontró la causa de las “enfermedades” de los vinos y la cerveza franceses. Ésta se debía a la presencia en ellos de microorganismos contaminantes capaces de alterar su sabor y aroma. Para eliminar la contaminación de los vinos inventó un método para esterilizarlos; el procedimiento consiste en someterlos a temperaturas entre 50 y 60°C durante 30 minutos y enfriarlos después rápidamente. Este tratamiento se llama pasteurización en honor a su autor y se aplica a diario en el mundo entero. La leche fresca que se consume se somete a temperaturas de 63°C durante 30 minutos, se enfría bruscamente y se envasa a 10°C; el alimento se esteriliza sin perder su sabor natural. Pero las investigaciones de Pasteur no se detenían; de los vinos enfermos pasó a los gusanos enfermos. El gusano productor de la seda, material muy valioso en la época, se encontraba afectado por la enfermedad conocida como pebrina, la cual amenazaba con destruir la industria de producción dedase en el sur de Francia. Durante cinco años trabajó Pasteur en su laboratorio investigando la enfermedad hasta encontrar el causante. Se trataba de un organismo microscópico unicelular, un protozoo, contaminante de los huevos, larvas y de la propia mariposa de la seda. La solución propuesta por Pasteur consistió en eliminar todos los huevos infectados y tomar medidas para evitar la contaminación. De esta manera, rescató la industria de la seda francesa. Otra contribución científica de Pasteur fue la prevención de la rabia. Tras investigar la saliva de animales afectados por la enfermedad, Pasteur llegó a la conclusión de que la enferme26
dad residía en los centros nerviosos: si se inyectaba un extracto de la médula espinal de un perro rabioso a animales sanos, éstos mostraban síntomas de rabia. Al experimentar con los tejidos de animales infectados, sobre todo de conejos, Pasteur consiguió desarrollar una forma atenuada del virus de la rabia que podía inocularse y prevenir la enfermedad. Una demostración cabal de su teoría consistió en aplicar el virus de la rabia atenuado mediante su procedimiento a un muchacho que había sido mordido por un perro rabioso. Éste se recuperó y conservó la salud. Desde entonces la vacuna contra la rabia se aplica en el mundo entero. Las investigaciones de Pasteur sobre la rabia dieron lugar a la creación, en 1888, de un instituto especial para el tratamiento de la enfermedad en París. Con el tiempo éste acabó llamándose Instituto Pasteur, y fue dirigido por el propio investigador hasta su muerte. En este instituto trabajaron algún tiempo después los más importantes científicos de la época y es actualmente uno de los más prestigiosos centros de investigación microbiológica, inmunológica y genética, con 24 instituciones asociadas en el mundo. Microbios y enfermedades
En la época de Pasteur muy pocos médicos aceptaban la idea de que los microbios pudieran causar enfermedades de importancia. Un joven y decidido médico inglés, llamado Joseph Lister (1827-1912), descubrió la causa de la infección en las heridas en el año 1870. Este investigador había estudiado desde 1865 la teoría de los gérmenes enunciada por Luis Pasteur y supuso que el origen de la infección quirúrgica estaba también relacionado con estos seres vivos microscópicos. Lister se encontraba investigando las causas de la gangrena y otras infecciones en un hospital de Londres y supuso que su 27
srcen eran las partículas de polvo presentes en el aire. Partiendo de su hipótesis puso en práctica una serie de medidas de precaución para evitar la contaminación en las intervenciones quirúrgicas. Estas medidas consisten en esterilizar cuidadosamente todos los instrumentos de cirugía, usar ropas desinfectadas enel salón de operaciones y realizar la operación en un ambiente libre de microbios, para lo cual utilizaba nebulizaciones de fenol. Lister utilizó la combinación de antisepsia (destrucción de los gérmenes que producen enfermedades infecciosas) y la asepsia (evitar la presencia de gérmenes en el ambiente). De esta manera lograba evitar las infecciones quirúrgicas en la mayor parte de los casos tratados. Los trabajos de Lister fueron rechazados al inicio, pero su perseverancia hizo que fueran aceptados alrededor del año 1880; sus descubrimientos contribuyeron a confirmar las ideas de Pasteur, por entonces nuevas, acerca del papel de los microbios en la aparición de enfermedades en los humanos. Otra figura de la misma época que se destacó en el desarrollo de la microbiología fue el médico alemán Robert Koch (1843-1910), quien recibió el premio Nobel por su contribución a la ciencia. Koch se hizo famoso por las técnicas de trabajo que inventó y puso en práctica en su laboratorio. Una de las más importantes fue la de preparar medios de cultivo sólidos sobre los cuales podían crecer muy bien los microorganismos; el medio sólido permite que una célula solitaria, aislada de las demás y proveniente de un cultivo de bacterias, se multiplique y aparezca una zona de crecimiento observable a simple vista, conocida como colonia. Una colonia es un grupo de bacterias formado por millones de seres pequeñísimos iguales entre sí; a simple vista la colonia puede tener forma, tamaño y color variados; muchas veces son circulares, en ocasiones poseen olor peculiar y tamaño definido de acuerdo con la especie de que se trate. Robert Koch aisló por primera vez colonias de microorga28
nismos. La técnica inventada por él tiene la ventaja de separar especies distintas que viven juntas en un medio de cultivo líquido y cuyo tamaño pequeño y estructuras delicadas no permiten su manipulación con facilidad. La técnica de los cultivos puros hizo avanzar vertiginosamente la ciencia de la microbiología; ésta eliminó para siempre la confusión de datos que se produce al estar presentes varios tipos distintos de microorganismos en un mismo medio de cultivo líquido. Koch también dibujó y fotografió las células de los microorganismos, puso en práctica nuevas técnicas para fijarlos y teñirlos, y esto le permitió observar muchos detalles que se le escapaban cuando trataba de ver los microbios vivos suspendidos en una gota de agua. Así logró hacer dibujos y fotografías de gran calidad. Otra importante contribución de Robert Koch fue la de descubrir en 1876 la causa de la enfermedad llamada carbunco o ántrax, que afecta tanto a los animales como al propio hombre. Esta enfermedad se debe a la infección causada por un microorganismo, la bacteria conocida como Bacillus anthracis. Ésta fue la primera prueba efectiva que tuvo la humanidad acerca del papel de los microbios como agentes causales de enfermedades. Pero Koch hizo más aún: explicó cómo pueden aislarse los microorganismos de las lesiones provocadas por una enfermedad, y enseñó cómo comprobar que ellos, después de ser aislados y cultivados en el laboratorio, son capaces de causar la misma enfermedad en animales de experimentación. Los métodos de investigación de Koch se fundamentan en cuatro postulados; éstos se aplican actualmente en los laboratorios clínicos para comprobar si un microbio es el causante de una enfermedad determinada. Muy pronto el laboratorio de Robert Koch se convirtió en el centro de atracción de los científicos. De todas partes acudían los 29
Cuadro i.1. Postulados de Koch. 1. El microorganismo debe ser aislado de animales enfermos y no debe estar
presente en los sanos. 2.El microorganismo debe ser cultivado en forma pura fuera del animal.
3. El cultivo del microorganismo al ser inoculado en un animal sano debe
dar inicio a la enfermedad. 4. El microorganismo debe aislarse de nuevo en el animal de experimentación y cultivarse en el laboratorio; éste debe ser igual al que se aisló inicialmente del animal enfermo.
estudiosos para aprender susnovedosas técnicas. Los 15 años que siguieron a sus descubrimientos iniciales se conocen como “la edad de oro” de la bacteriología. El propio Koch definió esta explosión de conocimientos diciendo que “los nuevos descubrimientos caían como manzanas de un árbol” (Frobisher, 1969). Durante esos fructíferos años se logró aislar en el modesto laboratorio de Koch la mayor parte de las bacterias causantes de enfermedades; pero no sólo esto, sino que se investigaron y se describieron detalladamente los gérmenes y sus efectos sobre los animales de experimentación. El propio Koch aisló el bacilo de la tuberculosis también conocido como bacilo de Koch, en honor a su descubridor. El laboratorio de Robert Koch se conserva aun en Berlín formando parte de la Facultad de Medicina de la Universidad de Humboldt. El señor de los mosquitos
Otro de los grandes hombres de la microbiología fue un científico nacido en el Caribe, en la isla de Cuba. Carlos Juan Finlay (1833-1915) trabajó durante más de 30 años en la investi30
gación de la fiebre amarilla. Esta enfermedad, también conocida como vómito negro, era muy abundante en el continente americano, sobre todo en las regiones más calurosas y se desconocía el modo de transmisión de un paciente a un individuo sano. Las personas que rodeaban al enfermo y estaban en contacto directo con él no adquirían el mal, ni siquiera si usaban las ropas del paciente. Sin embargo se sabía que se trataba de un padecimiento contagioso porque después de aparecer el primer caso en una región, la enfermedad se diseminaba con gran rapidez y el número de enfermos se multiplicaba. Muchos médicos recomendaban el aislamiento del paciente para evitar el contagio; por otra parte, se sabía que las condiciones de suciedad y falta de higiene en el ambiente favorecían la aparición de la fiebre amarilla en las ciudades. La idea del contagio de la enfermedad como una fuerza invisible y misteriosa no le parecía a Finlay algo científico; estaba seguro de que existía una explicación racional y material para la propagación de la enfermedad. Mientras estudiaba el ciclo de vida de un hongo causante de una enfermedad en las plantas, Finlay concibió la idea de la existencia de un intermediario entre una persona enferma y una sana. Este intermediario sería el agente transmisor de la enfermedad. Se le plantearon entonces dos problemas para realizar su investigación: el primero consistía en descubrir cuál era ese agente intermediario y el segundo, comprobarlo experimentalmente. Finlay era un hombre muy tenaz y observador, utilizó la intuición y el razonamiento para resolver el primero de los dos problemas. Por esa época abundaban los mosquitos en los lugares insalubres donde se presentaban las epidemias de fiebre amarilla. Era muy probable que este insecto fuera el intermediario al picar a los enfermos y transportar el germen a los sanos, inoculándolos con su picada. 31
La segunda parte del problema, la demostración experimental de su teoría fue quizás la más difícil. La fiebre amarilla es una enfermedad grave y por esa época no se contaba con tratamientos que permitieran garantizar la recuperación de los enfermos. Además, para comprobar su teoría, Finlay debía reproducir la dolencia en personas sanas, porque según los conocimientos de la época, la fiebre amarilla era una enfermedad exclusiva del hombre y no podía provocarse en animales de experimentación. Finlay trabajó durante años con voluntarios quienes se sometían a las picadas de mosquitos que hubieran picado anteriormente a personas enfermas de fiebre amarilla; se dice que el sabio solía llevar en sus bolsillos pequeños frascos con estos insectos, lo que le valió el amable apodo de “señor de los mosquitos” (López Sánchez, 1987). Este ensayo, audaz y srcinal le brindó datos muy valiosos de los cuales Finlay extrajo conclusiones que demostraron lo acertado de su idea sobre el contagio de la fiebre amarilla y la validez de su método experimental para demostrarla. El problema científico y teórico estaba resuelto; se había comprobado que si después de picar a un enfermo, el mismo mosquito picaba a una persona sana, ésta enfermaba. Quedaba por demostrar en la práctica la posibilidad de eliminar la epidemia. Para esto, Finlay elaboró una serie de normas de higiene del ambiente, las cuales servirían como reglas para aplicar su descubrimiento. Para controlar la epidemia sólo era necesaria una campaña de saneamiento que permitiera erradicar la enfermedad. Así ocurrió en La Habana 20 años después del anuncio de las srcinales ideas de Finlay. Mucho más tarde, y gracias a la experiencia práctica del sabio, se realizó una campaña similar en el Istmo de Panamá. Por esa época los Estados Unidos estaban empeñados en la construcción del canal de Panamá, y la dificultad principal era la muerte de cientos de trabajadores debido a la fiebre amarilla, 32
que hacía estragos por las terribles condiciones de vida de los obreros del canal. La campaña de saneamiento erradicó la enfermedad también de Panamá y posteriormente en otras regiones como Brasil y los Estados Unidos. Los trabajos realizados por Carlos Juan Finlay en las condiciones de la Cuba colonial, alejado de los grandes centros científicos de Europa, pueden compararse con los de Luis Pasteur en Francia. La enorme importancia de su descubrimiento radica en explicar el contagio de una enfermedad infecciosa de un modo totalmente nuevo para la ciencia: a través de un agente intermediario, el mosquito Aedes aegypti . Finlay además des arrolló métodos experimentales para demostrar su hipótesis. Como si esto no fuera suficiente, ideó los métodos de higiene del ambiente para eliminar los mosquitos, y los puso en práctica con resultados útiles e inmediatos. Sin embargo, el trabajo del científico cubano les fue atribuido durante más de medio siglo a los médicos estadunidenses que aplicaron sus descubrimientos para sanear el canal de Panamá. Pero en la ciencia la verdad se abre paso y hoy Carlos Juan Finlay es internacionalmente reconocido como uno de los seis grandes científicos que dieron inicio a la microbiología.
bibliografía
Audesirk, Teresa, Gerald Audesirk y Bruce Byers, Biología 1: unidad en a la diversidad,6 ed., Pearson, México, 2003. Bregere, F., “La Escherichia coli: clave de la genética moderna”, Impacto, núm. 32 (2) (unesco, París, 1982), pp. 195-207. Frobisher, Martin,Microbiología, Salvat, Barcelona, 1969. Lopez Sánchez, José, Finlay. El hombre y la verdad científica,Editorial Científico Técnica, La Habana, 1987. 33
II. Los virus y otras partículas infecciosas
El avance vertiginoso de la microbiología, el conocimiento de los efectos de la actividad de las bacterias y el establecimiento de algunos principios básicos de esta ciencia, entre ellos los postulados de Koch, se extendió también a las enfermedades de las plantas. De esta manera se logró identificar bacterias y hongos responsables de enfermedades dañinas para los cultivos, lo cual contribuyó en gran medida a hacer más sólida la idea de que los microbios eran agentes productores de enfermedades. Los virus
En el año 1892, un científico ruso, llamado Dmitri Ivanovski (1864-1920), reportó los primeros trabajos que llevaron al descubrimiento de los virus, por entonces desconocidos. Ivanovski estaba enfrascado en la tarea de aislar el microorganismo causante de la enfermedad de las plantas de tabaco, conocida como mosaico del tabaco. Para lograr su propósito seguía al pie de la letra los métodos de aislamiento ideados por Robert Koch, hasta entonces muy exitosos; sin embargo, esta vez daban como resultado al insigne investigador, un fracaso tras otro. No era posible encontrar un microbio bajo el micros34
copio. Pero los tropiezos muchas veces traen aparejados grandes éxitos; el científico ideó entonces pasar el extracto donde suponía que estaban los microbios, a través de un filtro con poros pequeñísimos, capaces de retener a las bacterias, y pudo comprobar que ese jugo filtrado, en contacto con las plantas de tabaco sanas provocaba la aparición de la enfermedad. Ivanovski comprendió entonces que estaba ante un nuevo tipo de germen, capaz de atravesar los filtros que retienen a las bacterias, por eso los llamó virus filtrables. Alrededor del año 1900 se descubrieron muchas enfermedades en los seres humanos causadas por virus. Una de ellas era la viruela, para la cual existía ya una vacuna, preparada por Jenner, antes de conocerse el agente causal (Frobisher, 1969). Años más tarde, en 1915, el científico inglés Frederick W. Twort, y en 1917 el franco-canadiense Félix H. d’Herelle descubrieron de manera independiente un fenómeno nuevo: cultivos de bacterias con crecimiento abundante en medio líquido desaparecían de la noche a la mañana si se les añadía agua de albañal filtrada. D’Herelle bellamente describió la emoción de ese momento: Al abrir la incubadora experimenté uno de esos raros momentos de íntima emoción que recompensan al investigador por todos sus tormentos: a la primera ojeada vi que el cultivo de bacterias en caldo que la noche anterior estaba muy turbio, ahora aparecía completamente claro; todas las bacterias se habían esfumado, disuelto como el azúcar en el agua. En el medio sólido tampoco había crecimiento. Lo que causó mi asombro fue algo que acudió a mi mente como un relámpago: la causa de la desaparición de las bacterias era un microbio invisible, un virus filtrable parásito de las bacterias […] [Stent, 1963].
En efecto, la única explicación posible para este fenómeno era la presencia en el filtrado de virus capaces de hacer desapa35
Crecimiento intracelular de los bacteriófagos
El bacteriófago identi ca a la bacteria e inyecta su ADN
El ADN del bacteriófago dirige la síntesis de proteínas y ADN de la bacteria
La bacteria estalla y libera la progenie de bacteriófagos
Figura ii.1. Crecimiento intracelular de bacteriófagos: el bacteriófago inyecta
su ADN la bacteria y éste sey multiplica su interior. ADN se en rodea de una hospedero cápsula proteica la bacteriaenestalla dandoCada lugarcopia a la de progenie de bacteriófagos.
recer las bacterias en el cultivo. Los investigadores llamaron a esos virus bacteriófagos, que quiere decir literalmente “comedores de bacterias”. Hoy se conocen los detalles de los mecanismos mediante los cuales los bacteriófagos hacen estallar las células de las bacterias cuando penetran en ellas. Los virus son partículas compuestas tan sólo de material genético, rodeado por una envoltura protectora hecha de proteínas. El término virus fue introducido por Edward Jenner, descubridor de la vacuna contra la viruela y su existencia fue comprobada por Ivanovski, de la manera que se relata más arriba. Los virus son agentes causantes de enfermedades; su tamaño es menor que el de las bacterias y por tanto son invisibles con el microscopio compuesto. Los virus se visualizan solamente con la ayuda del microscopio electrónico porque tienen un tamaño del orden de los 100 nm. Los virus no son capaces de nutrirse por sí mismos, no respiran y son inmóviles, no poseen vida independiente, pero se pueden replicar en el interior de las células vivas, con lo cual provocan la muerte de las células que los hospedan. Esto se debe a que no pueden sintetizar las moléculas que requieren para multiplicarse y deben “robarlas” a las células que parasitan y utilizar sus mecanismos de síntesis de proteínas. Los virus necesitan estar dentro de una célula viva para multiplicarse, por eso se definen como parásitos intracelulares obligados. La presencia de virus en un tejido animal o vegetal, así como sobre el crecimiento bacteriano en una placa de Petri, puede detectarse por la aparición de manchas circulares que producen la destrucción del tejido o del crecimiento bacteriano. Los virus solamente se multiplican en células con metabolismo activo, fuera de ellas forman cristales inertes. Los virus pueden intercambiar sus genes mientras se multiplican y su material hereditario, que puede ser ADN (ácido desoxirribonucleico) o ARN (ácido ribonucleico), pero nunca 37
ambos, puede mutar como ocurre con el de las bacterias y el resto de los organismos. Por eso también muchos de ellos se conocen por su cualidad de cambiar muy a menudo, como el virus del sida y el virus de la gripe. Este último es un verdadero maestro en el arte del disfraz. La propiedad de mutar con facilidad hace difícil la preparación de vacunas contra algunos de estos virus, como por ejemplo el virus VIH, agente causal del sida. Cada tipo de virus parasita un tipo de célula y no otros. Por ejemplo, los bacteriófagos conocidos como T4 son parásitos de la bacteria Escherichia coli. El llamado virus del mosaico del tabaco (TMV) enferma a las plantas de tabaco solamente; el virus de la polio afecta exclusivamente al tejido nervioso, por lo que provoca daños al sistema nervioso central. Debido a esa propiedad se dice que los virus son muy específicos. Debido a que los virus requieren estar dentro de células vivas para multiplicarse, cuando se necesita una cantidad importante de éstos para la investigación, se realizan cultivos de los tejidos específicos que les sirven de hospederos y se inocula en ellos una muestra del virus bajo estudio. Enfermedades causadas por virus
Los cientos de virus conocidos son la causa de muchas enfermedades distintas en los seres humanos, animales, bacterias y plantas. Entre las enfermedades virales se incluye el resfriado común, que afecta a millones de personas cada año. El virus de la gripe tiene la capacidad de mutar con mucha frecuencia; esto dificultó durante mucho tiempo combatir la enfermedad con una vacuna específica. La solución al problema ha sido el desarrollo de vacunas polivalentes: se combinan las vacunas contra las diferentes variantes de virus de la gripe, y se modifican de acuerdo con las transformaciones que éstas sufren. 38
Figura ii.2. Virus de la polio. El virus de la polio tiene la forma de un polígono de 20 lados.
Figura ii.3. Bacteriófago T4. Los bacteriófagos son virus parásitos de bacterias y son muy específicos.
Otras enfermedades virales tienen consecuencias graves. Entre éstas se encuentra la rabia, el sida, las fiebres hemorrágicas, la encefalitis, la poliomielitis y la fiebre amarilla, esta última transmitida por la picadura del mosquito Aedes aegypti, como se vio al estudiar los trabajos de Carlos J. Finlay en el capítulo anterior. Sin embargo, la mayor parte de las enfermedades causadas por virus producen solamente un malestar intenso, siempre que 39
al paciente no se le presenten complicaciones serias. Algunos de éstos son el sarampión, las paperas, el herpes simple, la varicela, el resfriado simple, diarreas agudas, verrugas y la hepatitis. El síndrome de inmunodeficiencia adquirida (sida) es una enfermedad mortal causada por un virus. Se transmite a través de la relación sexual no protegida y a través de la sangre infectada. Hasta ahora no se ha podido producir una vacuna capaz de inmunizar a los seres humanos. Vacunas e inmunidad
Una de las contribuciones más importantes para la salud en todos los tiempos fue sin lugar a dudas el descubrimiento de las vacunas. En el año 1796 un joven médico rural británico llamado Edward Jenner (1749-1823) descubrió la vacuna contra la viruela y preparó el terreno para el inicio de la inmunología. Desde niño Jenner gustaba de observar la naturaleza. Años después estudió medicina y se hizo cirujano en Londres. Más tarde regresó a su tierra natal Berkeley, para convertirse en médico rural durante el resto de su vida. La viruela era una de las principales causas de mortalidad en el siglo xviii. Jenner observó que las personas que habían estado en contacto con animales enfermos de viruela vacuna, enfermedad similar propia del ganado, no enfermaban de viruela humana. Las mujeres ordeñadoras en muchas ocasiones se contagiaban en los establos a través de rasguños en sus manos, pero no desarrollaban enfermedad alguna. A Jenner se le ocurrió la idea brillante de extraer el líquido de las lesiones de una joven campesina e inocularlo a un niño de ocho años; seis semanas después le inyectó el virus de la viruela y el niño permaneció sano. Jenner observó cuidadosamente sus reacciones durante varias semanas hasta convencerse del éxito de su experimento. El niño 40
no enfermó de viruela porque había quedado inmunizado con el material extraído de las llagas de las manos de la campesina. Los descubrimientos de Jenner no fueron aceptados rápidamente, y tuvo dificultades para obtener y conservar su vacuna. Sin embargo, su procedimiento fue puesto en práctica y la mortalidad debida a la viruela disminuyó. El uso de la vacuna se implantó rápidamente en Europa y los Estados Unidos. El éxito científico de Jenner se fundamentó en la observación y en la experimentación práctica. Sin llegar a conocer los virus ni sus propiedades, fue capaz de vaticinar su existencia e introdujo el término virus, que significa veneno en latín, para nombrar a los causantes de la viruela vacuna. El químico francés Luis Pasteur, 75 años después y tras estudiar los trabajos de Jenner, abrió el camino para la inmunología y el descubrimiento de las vacunas preventivas actuales al descubrir la vacuna contra la rabia. El auge y desarrollo de las vacunas hizo que se estudiara el fenómeno de la inmunidad con gran interés. Iliá Mechnikof (1845-1916) fue un biólogo y premio Nobel ruso, fundador de la ciencia de la inmunología. En 1904 fue nombrado director del Instituto Pasteur en París. Mientras trabajaba en la investigación de la digestión intracelular en las estrellas de mar, observó sus larvas transparentes que poseen células capaces de realizar la fagocitosis, y las defienden de las sustancias extrañas que se introducen en su cuerpo. A partir de esa experiencia dedujo el efecto destructivo de los glóbulos blancos de la sangre, que él llamó fagocitos, sobre las bacterias y otros agentes que tratan de invadir el organismo. En 1884 anunció su teoría de la fagocitosis, que constituyó la base de la teoría inmunológica. La teoría de la fagocitosis permitió comprender por qué se inflaman los tejidos invadidos por una infección. La inflamación es una reacción activa del organismo contra los microbios que causan infecciones. Los trabajos de Mechnikof sobre la fagocitosis dieron ori41
gen a nuevas ideas acerca de las reacciones de defensa del organismo y del papel que juegan en ellas algunas sustancias del suero sanguíneo. Otro eminente investigador, el alemán Paul Ehrlich (18541915), trató de explicar el fenómeno de la inmunidad de modo diferente a como lo había hecho Mechnikof. Éste postuló que las células tienen en su superficie moléculas receptoras específicas, o cadenas laterales, que sólo se unen a determinados grupos químicos de las moléculas de toxina; si las células sobreviven a esta unión, se produce un excedente de cadenas laterales, algunas de las cuales son liberadas a la sangre en forma de antitoxinas circulantes, lo que hoy llamaríamos anticuerpos. Los anticuerpos serían para Ehrlich responsables de la inmunidad (teoría humoral). Este investigador estableció la base química para la interpretación de la respuesta inmunológica. Debido a que los criterios de estos dos investigadores eran contrapuestos, se formaron dos grupos antagónicos de investigadores, que sostenían apasionadas discusiones sobre lainmunidad; pero en la ciencia, de las batallas surge la luz porque los problemas se estudian con mayor profundidad para obtener respuestas convincentes. Se elaboraron entonces nuevos métodos de trabajo en el laboratorio para diagnosticar las enfermedades infecciosas y se prepararon además vacunas nuevas contra la fiebre tifoidea, la peste, el cólera y otras enfermedades, así como sueros contra las mordeduras de las serpientes venenosas. Por sus investigaciones sobre la inmunidad Mechnikof compartió en 1908 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con el bacteriólogo alemán Paul Ehrlich por la elaboración de la teoría de la inmunidad. Sustancias químicas para curar
Mientras los inmunólogos trataban de esclarecer cuáles son las vías naturales que poseen los seres vivos para defenderse y 42
cómo son capaces de destruir los microbios dentro de su propio cuerpo, otros investigadores intentaban matar los gérmenes fuera del organismo utilizando medios químicos. El médico inglés Joseph Lister, inventor de los métodos de asepsia tan exitosos en las intervenciones quirúrgicas, también había desinfectado las heridas utilizando vendajes impregnados en formol y otros productos químicos. Por su parte, Robert Koch desarrolló trabajos con el mismo propósito; todo esto hizo posible descubrir que algunos de esos productos químicos mataban los gérmenes fuera del cuerpo. La tarea de utilizar la terapia química o quimioterapia era muy difícil porque se hacía necesario introducir venenos en el cuerpo humano para matar los gérmenes sin dañar los delicados tejidos y órganos vitales. Por su parte, Ehrlich inició investigaciones encaminadas a eliminar los microbios dentro del organismo utilizando compuestos químicos. En esa época, la sífilis no tenía tratamiento y causaba grandes estragos a la población. El científico descubrió cómo destruir la bacteria causante de la enfermedad sin producir efectos dañinos al enfermo. Fue este autor uno de los primeros en combatir la sífilis mediante la llamada “bala mágica” o salvarsán, una preparación de arsénico orgánico. Éste fue uno de los mayores éxitos de Ehrlich. Otros investigadores demostraron la importancia y la efectividad del uso de las sulfas en el tratamiento de numerosas enfermedades microbianas, lo cual también contribuyó a eliminar muchas de las terribles epidemias que azotaban a la humanidad. Años más tarde Alexander Fleming (1881-1955), desarrolló importantes investigaciones en los campos de la bacteriología, la quimioterapia y la inmunología. El descubrimiento de la penicilina tuvo lugar accidentalmente en 1928 mientras investigaba la gr ipe. Al observar que un moho que contaminaba una de sus placas de cultivo había destruido las colonias de 43
bacterias cultivadas en ella; el moho era el Penicillium notatum, hoy conocido como Penicillium chrysagenum, por lo que el producto de su actividad recibió el nombre de penicilina, uno de los antibióticos más conocidos y aplicados en nuestros días. Sin embargo, este medicamento tan ampliamente utilizado, permaneció inadvertido porque no se conocía un método para producirlo en grandes cantidades. No fue hasta 1940 que se comenzó a desarrollar la tecnología de producción de la penicilina, así como las técnicas de mejoramiento genético del hongo responsable, lo cual permitió obtener mutantes más productores. A su vez, la tecnología química permitió pasar de la etapa de resultados de laboratorio a la etapa de producción industrial y aplicación en la medicina. La penicilina purificada y aplicada en cantidades suficientes, salvó la vida de miles de soldados durante la segunda Guerra Mundial, los cuales hubieran muerto por infección de las heridas recibidas. Se demostró entonces la afirmación de Fleming sobre el tratamiento y curación efectivos de las enfermedades de srcen bacteriano mediante la aplicación de la penicilina, el primer antibiótico que conoció la humanidad. Fleming compartió en 1945 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con los científicos británicos Howard Walter Florey y Ernst Boris Chain por sus contribuciones al desarrollo de la penicilina. Después de la guerra, la penicilina y otros antibióticos comenzaron a utilizarse contra enfermedades tales como la sífilis, neumonía, tuberculosis y meningitis bacteriana. Los antibióticos brindaron por primera vez la posibilidad de curar esas infecciones, hasta entonces altamente peligrosas para la vida de los pacientes. Fue un paso de avance que transformó la ciencia de la medicina, ya que la idea de una droga que curara una enfermedad en particular era relativamente nueva. En el siglo xix, la mayoría de los medicamentos se prescribían como “tónicos” 44
que mejoraban el estado general del paciente. La posibilidad de contar con un medicamento específico significó poseer “balas mágicas” para combatir y vencer enfermedades. Así se abrió el camino para el uso de los antibióticos en la curación de las enfermedades del hombre y de los animales. A partir de 1940 los esfuerzos de muchos hombres de ciencia se concentraron en obtener sustancias producidas por los microorganismos capaces de destruir otros microbios sin causar daño al hombre. Muchos antibióticos se han descubierto desde entonces como resultado de la actividad biológica de hongos y bacterias, y ya la medicina cuenta con un poderoso arsenal que, como todo armamento, debe manejarse con cuidado para evitar que se produzcan daños en lugar de beneficios a la salud de la humanidad. Hoy día se conocen familias de antibióticos, con funciones específicas en la célula, se aplican para combatir y eliminar las bacterias infecciosas. Pero al mismo tiempo que salvan vidas, estas drogas maravillosas constituyen un peligro, advertido a tiempo por los hombres de ciencia: han sido el detonante para la aparición de cepas de bacterias resistentes para las cuales por el momento no existen armas de combate. El término antibiótico, propuesto por el microbiólogo del suelo Selman A. Waksman, descubridor de la estreptomicina, no refleja exactamente la acción de estos compuestos; sería más preciso llamarlos compuestos antibacterianos, porque la interpretación literal del término sugiere que los antibióticos son efectivos contra todas clases de seres vivos, lo cual no es cierto. Los antibióticos no son efectivos contra los virus y otros gérmenes causantes de enfermedades. Muchos virus se pueden controlar con la aplicación de vacunas, aunque todavía no se reporta la efectividad de una vacuna contra el temible virus del sida y la vacuna contra la gripe, enfermedad común en todo el planeta. 45
La revolución que comenzó en la farmacología con la aplicación de la penicilina y otros antibióticos, abrió las esperanzas para el tratamiento y curación de otras dolencias. De esta manera se desarrollaron la quimioterapia del cáncer, los agentes antivirales y nuevas drogas para el control de la tensión arterial. El “mal de las vacas locas” y los priones
Desde el siglo xviii se conoce la enfermedad transmisible de los carneros y chivos, conocida como “tembladera”, cuyos síntomas son: pérdida de la coordinación muscular, temblores y prurito, el animal se arranca pedazos de piel y pelo al rascarse y termina por morir. Se abren orificios en su cerebro, el cual adquiere el aspecto de una esponja. Hasta hace pocos años, se dio poca importancia a esta enfermedad, hasta la aparición del llamado “mal de las vacas locas”, en Inglaterra en 1986. Esta última enfermedad del ganado tiene síntomas muy parecidos a la “tembladera” y se transmite al hombre, dando por resultado una enfermedad degenerativa del cerebro, que provoca invalidez, demencia y termina con la muerte del paciente. En todas estas enfermedades de humanos y animales, llamadas encefalopatías espongiformes, el tejido nervioso que forma el cerebro se perfora, y ese órgano se transforma progresivamente hasta adquirir aspecto de esponja, de ahí su nombre; son afecciones transmisibles entre individuos y, además de enfermar al hombre, atacan también a otras especies de mamíferos, especialmente las ovejas y el ganado vacuno (Southin, 1993). Al parecer, el agente causal del “mal de las vacas locas” está presente en los alimentos del ganado, que consisten en huesos y otros restos como cerebro y vísceras de ovinos en forma de pienso. De esta manera, la enfermedad pasa del carnero a otra especie, el ganado vacuno, como resultado de la alimentación con ese pienso. El ganado, a su vez, puede transmitirla al hu46
mano a través de la ingestión de la carne y los productos lácteos infectados. Pero ¿cuál es ese agente, capaz de sobrevivir a los tratamientos de higiene y cocción de los alimentos, y de violar las fronteras naturales entre las especies para instalarse en el tejido nervioso de bestias y humanos? La respuesta a esas preguntas la dio el científico estadunidense Stanley Prusiner (1942), ganador por su trabajo del Premio Nobel de Medicina en 1997. Descubrió a los llamados priones, que son diminutas partículas de proteína infecciosa, responsable de la “tembladera” y del “mal de las vacas locas”. Stanley Prusiner comenzó su investigación sobre estos agentes infecciosos en el año 1972, después de la muerte de uno de sus pacientes que presentaba signos de demencia como resultado de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob. Desde 1974 realizó investigaciones sobre la “tembladera” de las ovejas en la Universidad de San Francisco. En 1982 su grupo de trabajo obtuvo un preparado a partir de cerebros infectados del animal de laboratorio conocido como hámster. Los preparados contenían el agente infeccioso que denominaron prión, del inglés proteinaceus infectious particle. Los investigadores que conocieron sus resultados manifestaron un gran escepticismo. Resultaba demasiado novedoso afirmar que un agente infeccioso estuviera compuesto solamente por moléculas de proteína, sin ácidos nucleicos capaces de transmitir el mensaje hereditario. A partir de 1984 el grupo de trabajo de Prusiner demostró que todos los animales incluyendo al hombre poseen el gen para la producción de priones. Estos agentes pueden existir en dos formas que se diferencian por la manera en que la molécula se dobla sobre sí misma: una proteína normal, cuyas funciones en la célula se desconocen, y otra peligrosa, causante de la infección; algo como el Dr. Jekyll y Mr. Hyde, conocidos personajes de la literatura. 47
Al investigar genéticamente el srcen de esta proteína, se comprobó que se trata de una proteína normal presente en todos los mamíferos estudiados; es por tanto, un componente normal de las células. Poco después se descubrió que esta proteína, presente en los mamíferos normales, y los priones presentes en el tejido nervioso en las enfermedades mencionadas, están codificados por el mismo gen y tienen la misma secuencia de aminoácidos. Cabe la pregunta entonces: si la proteína es normal en las células de los mamíferos, ¿cómo se transforma en infecciosa? Prusiner no tardó en ofrecer la respuesta: la proteína normal está dispuesta de una forma definida, tridimensional, en el espacio. La molécula se dobla sobre sí misma siguiendo un patrón regular, mientras que la proteína infecciosa se dispone de otra manera en el espacio, se dobla de distinta forma y esta característica es la que produce su transformación en infecciosa. El mecanismo parece consistir en que un prión en contacto con la proteína normal provoca un cambio en ésta y hace que la molécula se doble de manera anormal. De esta manera una proteína “buena” se transforma en “mala” y posteriormente se presenta la enfermedad. Es decir, los priones inducen a las moléculas benignas de proteína a cambiar de forma, y el resultado es la formación de nuevos priones que provocan la infección. Esto explica por qué, cuando el ganado bovino ingiere restos de ovejas enfermas en el pienso que se utiliza para alimentarlo, enferma del “mal de las vacas locas”. La carne y la leche de las vacas enfermas contienen priones y éstos pasan al organismo del hombre cuando consume esos productos, lo cual a su vez provoca la aparición de la enfermedad en los humanos. Los priones no son seres vivos, no contienen genes y sin embargo pueden transformar otras moléculas. Estamos por tanto ante un nuevo tipo de partícula infecciosa cuyas propiedades son distintas a todas las conocidas. 48
Efectos de los priones en el encéfalo humano
En la corteza cerebral produce la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, caracterizada por el cerebro con apariencia de esponja por los numerosos orificios presentes. Conduce a la demencia y a la muerte. En el cerebelo provoca la enfermedad conocida como Kuru, resultado del canibalismo, y el síndrome de Gertsmann-Straüssler-Scheinker (GSS), que conduce a la demencia. En el tálamo srcina el insomnio familiar fatal, una rara enfermedad hereditaria que encoge el tálamo y elimina la posibilidad de conciliar el sueño. En el tallo cerebral produce encefalopatía espongiforme bovina, o enfermedad de las vacas locas, que ha infectado miles de vacunos, los que la transmitieron a seres humanos. La enfermedad bovina pasó desde Inglaterra al continente europeo a inicios del siglo xxi. c d
b
a Figura ii.4. Esquema del encéfalo humano. Los priones afectan el tejido del cerebro y provocan distintas enfermedades según el área dañada: a) tallo cerebral, b) cerebelo, c) corteza cerebral y d) tálamo. 49
bibliografía
Frobisher, Martin, Microbiología, Salvat, Barcelona, 1969. Stent, Gunther, Molecular Biology of Bacterial Viruses, W. H. Freeman and Co., San Francisco / Londres, 1963. Southin, John L., Forty Eight Lectures in Modern Biology, Kendall Pub. Co., Iowa, 1993.
50
III. La química de la vida
Compuestos inorgánicos y orgánicos
Las primeras civilizaciones que poblaron nuestro planeta descubrieron y utilizaron compuestos químicos obtenidos a partir de tejidos y órganos animales y vegetales. Los antiguos egipcios, aztecas, mayas e incas lucían ropas de vistosos colores. Para confeccionarlas teñían las fibras con colorantes naturales y después las transformaban en hilos que posteriormente tejían. También hicieron hermosos dibujos sobre distintos materiales naturales, cuyo esplendor se ha conservado hasta nuestros días. Para teñir las telas y dibujar, utilizaban colorantes extraídos de los vegetales y también de los animales, como la cochinilla, insecto del cual se extraía el color rojo. En la antigua Mesopotamia, unos 3500 años antes del nacimiento de Cristo, los sumerios fabricaban bebidas fermentadas. La Biblia cuenta cómo se obtenía el alcohol mediante la fermentación de las uvas y desde épocas remotísimas, la humanidad combatía las enfermedades con remedios obtenidos a partir de los vegetales. Por aquellos tiempos se desconocía la química de esas recetas y procesos, hasta que en los primeros años del siglo xviii los estudiosos comenzaron a investigar las distintas sustancias y se desarrolló la ciencia de la química. A comienzos del siglo xix se estableció la diferencia entre 51
dos categorías de productos químicos. Aquellas sustancias derivadas de los minerales y que no eran combustibles se llamaron compuestos inorgánicos, y por el contrario, los miembros de la otra categoría, aislados de los organismos vivos, fácilmente combustibles y sensibles al calor y a los ácidos y bases fuertes, se llamaron compuestos orgánicos. Durante mucho tiempo los químicos pensaron que había algo especial en los compuestos orgánicos que impedía su síntesis fuera de los organismos vivos. La idea de que los compuestos orgánicos se podían obtener sólo mediante una “fuerza vital”, cuya existencia era posible únicamente en los organismos vivos, se fue haciendo cada vez más firme en el pensamiento de los estudiosos. No se concebía la posibilidad de síntesis de compuestos orgánicos en el laboratorio. Sin embargo, en el año 1828, un químico alemán llamado Friedrich Wöhler (1800-1882) logró sintetizar por primera vez una molécula orgánica: la urea. Este descubrimiento propinó un severo golpe a la teoría de la “fuerza vital” en relación con la síntesis de compuestos orgánicos. Los trabajos de Wöhler marcaron el principio del fin de la teoría de la “fuerza vital” y sentaron las bases de una nueva era de la química inorgánica. Desde entonces, el número de compuestos orgánicos sintéticos supera con creces a los que han sido aislados e identificados a partir de los seres vivos. Aunque la síntesis de urea en el laboratorio disipó la idea de la “fuerza vital” y estableció un estrecho vínculo entre la química orgánica y la inorgánica, se ha mantenido por conveniencia la clasificación entre compuestos orgánicos e inorgánicos. Las moléculas de la célula viva
La célula es una gran fábrica química, pero en miniatura. En su interior se sintetizan constantemente y a enorme velocidad las moléculas que participan en la actividad vital. 52
Las células necesitan energía para todos los procesos de síntesis y degradación de moléculas. Esa energía, cuya fuente primaria es el Sol, la toman los organismos del medio circundante, en unos casos mediante la fotosíntesis, y en otros a partir de materias primas sencillas. Después, esa energía es transformada por los seres vivos y utilizada en la edificación y sostén de sus complejas estructuras, y también para realizar los procesos fisiológicos que mantienen la vida del organismo, no importa cuán sencillo o complejo éste pueda ser. En cada célula hay una gran diversidad de moléculas. En el contenido celular están presentes moléculas inorgánicas abundantes en la naturaleza, como el agua y las distintas sales minerales. Las células también contienen moléculas típicas de la materia viva conocidas como biomoléculas, que son de naturaleza orgánica. Por ejemplo, en la sangre humana y en la de otros animales existe una molécula llamada hemoglobina, la cual participa en el transporte de oxígeno gaseoso a todas las células del organismo (Lehninger, 1981). Por mucho que se busque, nunca será posible encontrar hemoglobina libre en el aire o en las piedras. Ésta es una de las numerosas moléculas responsables de las funciones vitales. Muchas biomoléculas son de gran tamaño; entre ellas hay una gran diversidad. Sin embargo, dentro de esa diversidad molecular existe una unidad. Esto quiere decir que en los seres vivos hay moléculas orgánicas pequeñas e iguales para todas las especies. En efecto, existen también biomoléculas pequeñas y sencillas como la glucosa, que es un azúcar, y las moléculas de aminoácidos, que se ensamblan para formar las proteínas. Todas ellas participan de manera activa en las diversas funciones que mantienen la vida. Estas moléculas pequeñas se asocian de diversas maneras y dan lugar a la enorme variedad de moléculas presentes en una célula viva (Audesirk, 2003). Dentro de las células la vida bulle impetuosamente. En su seno ocurren infinidad de reacciones químicas que duran sola53
mente segundos; se sintetizan y se descomponen las moléculas de acuerdo con las necesidades que tiene la célula para realizar sus diversas funciones; nada se desperdicia. La energía que la célula no utiliza se almacena en moléculas especiales que a su vez la liberan cuando así se requiere en las reacciones químicas que tienen lugar en su interior. Los procesos de síntesis y descomposición de moléculas se suceden unos detrás del otro en fracciones de segundo. El resultado es un torrente de actividad durante el cual los organismos intercambian energía con el ambiente. El conjunto de procesos de síntesis y descomposición de moléculas en la célula es el metabolismo. Durante el metabolismo tienen lugar transformaciones físicas, químicas y biológicas. El metabolismo de la bacteria intestinal Escherichia coli, ha sido estudiado con gran profundidad y se conoce con bastante exactitud cuáles son las moléculas que componen sus células, cuándo y cómo se sintetizan y degradan esas moléculas, qué funciones cumplen en la vida de la célula y cómo están organizadas. El conocimiento acerca de este microorganismo sirve de modelo para el estudio de otras células y tejidos de animales y vegetales más complejos. La variedad de moléculas de los seres vivos
Las diferencias entre moléculas del mismo tipo que forman parte de los seres vivos se reflejan en fenómenos conocidos. Por ejemplo, antes de llevar a cabo una transfusión de sangre es necesario determinar primero si el donante y el receptor tienen grupos sanguíneos afines, porque si esto no es así, se pone en peligro la vida del paciente. Las diferencias entre los grupos sanguíneos se deben a diferencias entre algunas de las moléculas presentes en la sangre. 54
Como ya se ha mencionado antes, existe unidad en la diversidad de moléculas orgánicas presentes en una célula viva. Todas las especies tienen en sus células moléculas orgánicas pequeñas, libres, iguales para todos los organismos. Por ejemplo: la glucosa o azúcar de uva existe tanto en las células de tejidos vegetales y animales como en los microbios. Esa pequeña molécula orgánica abunda mucho en la naturaleza y participa en el metabolismo de todos los seres vivos. Si se unen moléculas de glucosa, en la célula se pueden formar distintos compuestos como el almidón, la celulosa, el glucógeno y otros (Biggs, 2000). Otro tipo de moléculas orgánicas pequeñas e iguales en todas las células son los aminoácidos. Cuando se unen los aminoácidos en una cadena se originan los péptidos; éstos a su vez, al unirse, llegan a formar largas cadenas de proteína. El modo en que se ordenan los 20 aminoácidos que existen en el interior de la célula viva, así como las diferentes combinaciones que se producen entre ellos, da lugar a la gran diversidad de moléculas de proteínas que están presentes en las células. Cada una de esas proteínas tiene su propia función en el organismo. No existen proteínas “ociosas”. Se calcula que dentro de una célula bacteriana están presentes al mismo tiempo más de 3 000 moléculas diferentes de proteína. Si cada una está cumpliendo una función, ya sea formando parte de una estructura, como por ejemplo la pared celular, o digamos que es una molécula que participa en las reacciones que ocurren, se puede comprender por qué hemos hablado antes de un torrente de actividad en el interior de la célula. El ADN, molécula de la herencia
La teoría celular afirma que “todas las células provienen de otras células”. La unidad de srcen es una de las verdades más importantes que demuestra la teoría celular. La molécula de ADN es la responsable de garantizar la transmisión de las ca55
racterísticas de padres a hijos, lo mismo si se trata de células simples o de organismos tan complejos como el hombre. Los cromosomas de la célula están formados principalmente por esas enormes moléculas de ADN. En ellas existen numerosos genes responsables de las características hereditarias, como el color de los ojos, la forma y el tamaño de las alas de las moscas, o la forma y el color de las colonias de bacterias (Southin, 1993). El ADN es un ácido nucleico conocido científicamente como ácido desoxirribonucleico.Los ácidos nucleicos son agru-
A = Adenina T = Timina C = Citosina G = Guanina
S = Azúcar P = Fosfato
Figura iii.1. Segmento de una molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico). El ADN es una molécula en espiral compuesta por dos cadenas de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. 56
paciones llamadas polímeros de otras unidades o moléculas precursoras más pequeñas conocidas como nucleótidos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos que cumplen funciones importantes para la vida celular: el ADN y el ácido ribonucleico, al cual llamamos ARN. Las moléculas gigantes de ácidos nucleicos también forman parte del contenido celular. Cada una de ellas contiene cuatro tipos de nucleótidos dispuestos en una secuencia u orden determinado. Este ordenamiento, así como el número total de nucleótidos en la molécula del ácido nucleico, da lugar a infinitas posibilidades de combinaciones y, por tanto, pueden existir multitud de moléculas diferentes de ácido nucleico. Como se ha visto antes, el ADN forma los genes, que almacenan y transmiten la información hereditaria. Las diferencias en la secuencia de nucleótidos del ADN determinan las diferencias en los genes, responsables de las características hereditarias. La función de los genes es dirigir la síntesis de las proteínas de cada célula e individuo. Existe una clave o código genético que define cuáles combinaciones de nucleótidos en la molécula de ADN se corresponden con los aminoácidos que formarán parte de una proteína determinada. Más adelante en este libro se trata acerca de la historia del ADN. Vida y energía
No hay vida sin energía. Ésta es una verdad que la humanidad comprendió casi por intuición desde que las primeras civilizaciones poblaron nuestro planeta. La figura de una serpiente representa la energía en la mitología hindú. Según este antiguo pueblo, la energía creó, sostiene y con seguridad destruirá al universo. Los organismos toman del ambiente una forma útil de energía, capaz de realizar trabajo sin que dentro de la célula varíe la temperatura o la presión. Esta forma de energía se llama energía libre. 57
En una bacteria u otra célula no tienen lugar cambios notorios de temperatura, como ocurre por ejemplo cuando se calienta el agua hasta hacerla hervir. En las células la temperatura puede variar ligeramente sin provocar afectaciones. Los cambios drásticos de temperatura pueden matar la célula. Esto se puede comprobar al calentar por encima de los valores normales un cultivo de células bacterianas y también al congelarlo. En ambos casos las células mueren. Imaginemos, por otra parte, una máquina térmica. Las máquinas térmicas son mecanismos diseñados por el hombre para realizar trabajo mecánico. Ellas absorben el calor de un foco caliente y lo ceden a un foco frío. Una máquina de vapor, ejemplo de máquina térmica, puede suministrar energía para hacer funcionar un ingenio azucarero o una central termoeléctrica. Aunque la máquina térmica es capaz de realizar un trabajo mucho mayor, si se compara su rendimiento con el de una célula viva, resulta sorprendente descubrir que la célula aprovecha mucho mejor la energía. La célula trabaja siempre; realiza trabajo químico cuando sintetiza moléculas, trabajo mecánico cuando mueve un flagelo, se contrae un músculo, o se mueve la cola de un espermatozoide. Realiza trabajo osmótico al transportar sustancias del medio circundante al interior de la célula. Toda esa actividad vital se lleva a cabo sin que ocurra una variación en la temperatura del organismo. Uno de los problemas más importantes en el estudio de la vida es el aprovechamiento y utilización de la energía en la célula y la síntesis de las numerosas moléculas que en ella existen. Todas las células vivas poseen moléculas encargadas de almacenar la energía. Como sabemos, la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma. Naturalmente, esto también se cumple dentro de las células. Cuando en una reacción biológica se libera energía, hay moléculas que la conservan en enlaces químicos especiales que cumplen esa importante función. Un ejemplo de ellas es el trifosfato de adenosina, más comúnmente 58
conocido como ATP, indispensable para la vida celular porque interviene en numerosas reacciones. Estas moléculas portadoras de energía química actúan como baterías suministradoras en los procesos biológicos que requieren energía. La molécula de ATP interviene en muchas reacciones en la célula; ella cede la energía acumulada en sus enlaces químicos. Después que la célula ha utilizado la energía, puede devolverla al ambiente en una forma menos útil. Este tipo de energía retorna al medio muchas veces como irradiación de calor, como ocurre cuando hacemos ejercicio físico, y en otras formas que contribuyen a aumentar el desorden o entropía que reina en la naturaleza. El intercambio de sustancia y energía con el ambiente transforma a los organismos; ellos se nutren, crecen, se reproducen y mueren. Al mismo tiempo, el ambiente en que viven se transforma también, ya que sufre modificaciones importantes debidas a la actividad de los seres vivos. La gran variedad de formas de vida que pueblan la Tierra pudiera hacer pensar en que las necesidades de moléculas y energía de los distintos tipos de organismos vivientes pudieran también ser muy variadas. Sin embargo, esto no es así. Las moléculas sencillas integrantes de las moléculas gigantes son las mismas. También son iguales las moléculas portadoras de energía en todos los tipos de células. Esta realidad contribuye a afianzar el concepto de evolución, proceso a través del cual los seres vivos han cambiado y se han diversificado a lo largo de miles de millones de años.
bibliografía
Audesirk, Teresa, Gerald Audesirk y Bruce Byers,La vida en la Tierra, 6ª ed., Prentice Hall, México, 2003. 59
Biggs, Alton, Chris Kapicka y Linda Lundgren,Biología: la dinámica de la vida, McGraw Hill, México, 2000. Lehninger, Albert L., Biochemistry, Editorial Pueblo y Educación, La Habana, 1981. Southin, John L., Forty Eight Lectures in Modern Biology, Kendall Hunt Pub. Co., Iowa, 1993.
60
IV. Células, herencia y microorganismos
Desde el sigloxix y como resultado de las observaciones de los primeros microscopistas pudo afirmarse con certeza que los animales y las plantas tienen en común una propiedad muy importante: sus tejidos están formados por miles de millones de células visibles con la ayuda del microscopio y muy excepcionalmente a simple vista. En esas células transcurre la vida. Los organismos de tamaño microscópico también están formados por células; éstas pueden vivir aisladas o formando agrupaciones sencillas, no comparables con los tejidos de los animales o de las plantas. Los virus, antiguamente considerados microbios por su tamaño pequeñísimo, son la excepción de la regla. Estos gérmenes no poseen estructura celular. La organización de sus moléculas es mucho más simple y por eso necesitan estar dentro de una célula viva para multiplicarse. Recordemos que se consideran como “parásitos intracelulares obligados”. La teoría celular
Por su pequeño tamaño, las células no fueron descubiertas hasta la invención de instrumentos ópticos capaces de aumentar 61
muchas veces el tamaño de los objetos diminutos. Hemos comentado que en el año 1665 un científico e inventor inglés llamado Robert Hooke fue uno de los pioneros en realizar investigaciones microscópicas; entre sus resultados se cuenta el descubrimiento de las células vegetales. Hooke realizó observaciones con su microscopio en cortes finos de corcho. El corcho es un tejido vegetal muerto, formado por restos de pared celular gruesa impregnada en una sustancia llamada suberina. Es la corteza externa seca de la planta de alcornoque y en el interior de cada célula preexistente se observa un espacio vacío porque ha desaparecido el citoplasma y sus componentes. Hooke comparó sus observaciones con las celdas o pequeñas habitaciones de los monjes, y dio el nombre de célula a las partes componentes del corcho. Hooke llamó la atención acerca de que en ese árbol vivo y en otras plantas, las celdas están llenas de jugos. A partir de los trabajos de los primeros microscopistas quedó claro que los tejidos vegetales están formados por células. Sin embargo, quedaba por demostrar la composición celular de los tejidos animales. Las características de la célula animal, en la cual no existe pared celular, hacían la tarea más difícil, dadas las posibilidades de aumento de los primeros microscopios, y la delgadez de las membranas que separan las células animales. En 1830 el zoólogo alemán Theodor Schwann observó cortes de cartílago y descubrió células parecidas a las reportadas en los vegetales. Un estudio más profundo de los tejidos animales permitió a este investigador elaborar una teoría, donde llamó células a las partes fundamentales de animales y plantas. En 1837 Matthias Schleiden, botánico alemán, se refirió en un trabajo a los “procesos vitales de las células individuales” como “los fundamentos básicos, absolutamente indispensables de la vida”. Ésta fue la primera sugerencia acerca de las funciones de las células. Fue un austriaco patólogo de profesión, llamado Rudolf 62
Virchow, quien complementó las ideas de Schleiden y Schwann cuando afirmó en 1856, en la Universidad de Berlín, que “cada animal es la suma de sus unidades vitales, cada una de las cuales contiene todas las características de la vida”. Predijo además que “todas las células provienen de otras células”. Los tres principios básicos de la teoría celular fueron resumidos genialmente por Virchow. Investigadores osados con mente amplia descubrieron la importancia de la célula y predijeron sus funciones, aun antes de que el desarrollo de instrumentos más sofisticados las confirmaran. La biología celular ha demostrado actualmente, a escala bioquímica y también con el apoyo del microscopio electrónico, la validez y significación de los postulados de la teoría celular. La teoría celular afirma que los seres vivos están formados por células, que las células constituyen las unidades bási cas de estructura y función, y que todas las células provienen de células preexistentes (Audesirk, 2003). Sus postulados básicos son los siguientes: 1. la célula es la unidad de estructura, 2. la célula es la unidad fisiológica, y 3. la célula es la unidad de srcen.
La célula es la unidad de estructura de manera semejante, aunque no igual, a los ladrillos que forman una pared. Esta comparación simple resulta hoy día inexacta debido a que se conoce la existencia de comunicación y otras interacciones entre las células que forman un tejido. Sin embargo, es cierto que cada célula es la unidad de estructura, la más pequeña porción de materia viva organizada, donde transcurren los procesos de la vida en la naturaleza. De modo similar y muy relacionado con la primera afirmación, la célula es la unidad fisiológica; ella vive a plenitud y 63
puede realizar todas las funciones necesarias con increíble organización y rapidez extraordinaria. En su seno ocurren transformaciones físicas y químicas en las cuales la energía es utilizada para sintetizar y degradar multitud de moléculas químicas. Estos procesos de síntesis y descomposición de moléculas ocurren en fracciones de segundos. El torrente de actividad en el interior de una célula puede compararse con el de una fábrica en miniatura; cada una de sus partes está preparada para realizar una función cuyo resultado final es la vida. En condiciones artificiales y controladas en el laboratorio puede lograrse que las distintas partes componentes de la célula trabajen por separado. Experimentalmente se puede fraccionar la célula y separar sus orgánulos para comprobar cómo funcionan éstos. Sin embargo, el trabajo celular es un todo armónico. Las funciones separadas no son realmente vida porque al separar los componentes de la célula se pierde la relación natural entre los procesos fisiológicos y la integridad de la célula. La célula es también la unidad de srcen: en efecto, para que se srcinen células nuevas es preciso partir de una célula srcinal. No existe la generación espontánea de seres vivos. Esto es cierto en las condiciones actuales de vida sobre el planeta Tierra y fue demostrado por Pasteur en el siglo xix. Cada célula contiene la información genética en su material hereditario; ésta es necesaria para producir otras células iguales a ella. Por ejemplo: una bacteria del tipo Escherichia coli se divide en dos células hijas poseedoras de las mismas características de la célula que les dio srcen. Las células hijas son, por lo general, idénticas a la célula madre. La teoría celular, expuesta a partir de las observaciones y de las interpretaciones científicas de muchos investigadores, es una verdad que se comprueba cada vez con mayor detalle a escala molecular. La célula es la unidad de estructura, la unidad de función y la unidad de srcen. 64
El ser vivo más conocido de todos
La bacteria intestinal cuyo nombre científico es Escherichia coli ha sido el ser vivo más estudiado por la biología molecular en el siglo xx. Esto no es el resultado del capricho de los hombres de ciencia; tampoco es obra de la casualidad. Este microbio, habitante normal del intestino humano y de algunos animales, ofrece muchas ventajas como objeto de estudio (Bregere, 1982). Los cultivos de la bacteria intestinal en el laboratorio se pueden hacer en medio líquido o en medio sólido con los nutrimentos necesarios para su crecimiento. En estos medios, la bacteria se multiplica con rapidez; cada célula se divide en dos a gran velocidad, de modo que si el medio de cultivo es rico la división celular demora aproximadamente 20 minutos. Al cabo de 24 horas puede obtenerse una población de células bacterianas de varios cientos de millones de individuos. La mayor ventaja de las bacterias para la investigación científica consiste en ser organismos valiosos para estudiar la herencia, el srcen del sexo, los mecanismos de control celulares, así como la variación a escala molecular (Bregere, 1982). Los cambios bioquímicos y el funcionamiento de este organismo formado por una sola célula resultan menos difíciles de estudiar que los de un animal o de una planta, formados por diferentes sistemas, órganos y tejidos. No es lo mismo investigar cuáles son los productos celulares, por ejemplo, enzimas, que vierte al medio una población de células idénticas entre sí, que estudiar los compuestos químicos existentes en una capa de tejido, por ejemplo el corazón, integrante a su vez del sistema circulatorio de una rana o de otro animal cualquiera, de mayor complejidad. 65
La célula es la unidad más pequeña de vida
La teoría celular demostró que las células son las unidades más pequeñas en las cuales transcurre la vida. Existe una gran variedad de células en los seres vivos. Éstas pueden vivir de forma libre, como las bacterias y los protozoos, o pueden estar asociadas formando tejidos, órganos y sistemas, en los organismos más complejos como las plantas y los animales superiores. Cuando se utiliza un término cualquiera, es necesario aludir a algo más. El término célula, al igual que el término caldo, debe estar referido a algo más. Hay caldo de vegetales, caldo de res, caldo de pollo, etc. Del mismo modo existen células bacterianas, células de hongos, células hepáticas, células embrionarias, células de la epidermis, células vegetales, etc. La llamada célula típica es una representación general, basada en aspectos particulares, propios de los diversos tipos de células. No existen células típicas en los seres vivos. Cada célula tiene características propias del tejido del que forma parte, pero ciertos elementos celulares están presentes en todas las células (Southin, 1993). Las partes de la célula presentes en todas las células son las siguientes: Membrana plasmática. También llamad a membrana celular. Tiene las siguientes funciones: aísla el contenido celular del medio externo, regula el intercambio de materiales entre la célula y el medio externo, y permite la interacción con otras células. Material hereditario. Está formado por ADN, transmite las características de padres a hijos. Puede estar: dentro del núcleo (células eucariotas: animales, vegetales, hongos y protistas), o como una molécula gigante de ADN flotando en el seno de la célula (células procariotas: eubacterias y archaeobacterias). Citoplasma. Es todo el material contenido dentro de la membrana plasmática. Comprende agua, sales y una gran variedad de moléculas orgánicas. En su seno existen otras estruc66
turas más pequeñas conocidas como organelos, cada una de las cuales realiza una función diferente en la vida de la célula. Existen dos tipos de células
Los seres vivientes están formados por dos tipos de células, unas más complejas, con un núcleo bien definido, un sistema de membranas internas y varios tipos de organelos que cumplen diferentes funciones en la vida de la célula. Éstas se llaman eucariotas y podemos encontrarlas en los animales, las plantas, y algunos microorganismos como los protozoos, los hongos y las levaduras. El otro tipo de célula, más sencillo, llamado procariota, no tiene un núcleo bien definido, sino un cromosoma inmerso en el seno del citoplasma; no presenta un sistema de membranas internas y tiene además algunos organelos típicos, que no están presentes en la célula eucariota. Así son las células bacterianas (Audesirk, 2003). Existen funciones indispensables para la vida que en la célula procariota no se realizan en las mismas estructuras definidas para la célula eucariota. Estas funciones ocurren muchas veces asociadas con la membrana plasmática, como es el caso de la respiración celular y la fotosíntesis bacteriana. Las bacterias no poseen cloroplastos y sin embargo, algunas de ellas, llamadas cianobacterias, son fotosintetizadoras. Se trata de organismos primitivos en los cuales los procesos de obtención de energía a partir de la luz solar comenzaron a ocurrir temprano en la evolución de la vida. En esa etapa no existían las células eucariotas ni sus estructuras. Esto se analiza con detalle en el capítulo vii, “Los microbios y el origen de la vida”. Debe mencionarse que las bacterias poseen apéndices para moverse en el medio líquido. Éstos reciben el nombre de cilios y flagelos al igual que los de las células eucariotas. Sin embargo, 67
son más sencillos y su estructura es diferente de los cilios y flagelos de la célula eucariota (Biggs, 2000). La genética
La enorme variabilidad en la naturaleza permite comparar semejanzas y diferencias entre los seres vivos. No solamente varían los rasgos observables, sino que la esencia de la variación reside en los procesos del metabolismo de las células, bajo la dirección del material hereditario. Éste se organiza en los cromosomas de las células y los genes son responsables de los distintos rasgos hereditarios. La genética incluye tres aspectos de los genes: 1. Transmisión: cómo se organizan los genes y pasan de una
generación a la siguiente. 2. Expresión: el modo en que las instrucciones hereditarias codificadas por los genes se llevan a cabo y se producen las características hereditarias. 3. Mutación: la capacidad para el cambio une a la genética y a la evolución; la copia de los genes al replicar el material hereditario es precisa, pero no está libre de errores. También factores ambientales pueden causar cambios llamados muta ciones (Jorge, 1983). La transmisión, recombinación y expresión de las características hereditarias ofrece un amplio campo de estudio para los genetistas. La ciencia de la genética estudia el modo de transmisión de las características de padres a hijos, cómo ocurren estos procesos, cómo surgen las mutaciones y cuáles son las partes de la célula y las moléculas encargadas de transferir la información hereditaria. Se analizarán ahora brevemente los trabajos que dieron ini68
cio a esta ciencia, así como los patrones hereditarios y otros casos de desviación de las proporciones encontradas por Mendel. Gregor Mendel
Esta ciencia se srcinó también, como la teoría celular, en la segunda mitad del siglo xix. Gregorio Mendel era un fraile de un monasterio de Brno, en la República Checa; trabajó experimentalmente con plantas de chícharo (Pisum sativum) obtenidas de los granjeros, cuya característica era la de ser líneas puras, es decir, plantas cuyos rasgos, como el color de la flor, la altura de los tallos, la disposición de las hojas etc., permanecían iguales en la distintas generaciones. Esto significa que los padres transmiten a la descendencia el rasgo determinado, sin que se produzcan cambios. Por eso se les llama líneas puras. Al cultivar líneas puras de chícharo en el jardín del monasterio, Mendel analizó siete pares de características hereditarias localizadas en distintas partes de la planta. En cada una de ellas realizó cruzamientos dirigidos y observó cuidadosamente la descendencia a lo largo de distintas generaciones. Para interpretar sus resultados aplicó sus conocimientos matemáticos. De esta manera, Mendel descubrió las relaciones fundamentales entre los rasgos hereditarios: los principios básicos de la herencia (cuadro iv.1). Aunque Mendel trabajó sin conocer la existencia de los cromosomas o de los genes, pudo llegar a conclusiones certeras sobre la transmisión de las características hereditarias de padres a hijos. La composición de genes en las células de un individuo se llama genotipo y la apariencia del mismo se conoce como fenotipo. El primero de los principios mendelianos es el principio de la segregación. Según éste, las características hereditarias están presentes en las células en dos copias, una proveniente de la 69
Cuadro iv.1. Rasgos estudiados por Mendel en el chícharo.
Forma de la semilla Color de la semilla Forma de la vaina
Lisa Amarilla Inflada
Rugosa Verde Contraída
Color de la vaina Color de la flor Ubicación de la flor
Verde Púrpura En las axilas de las hojas Alta ( 1.8 a 2 m)
Amarilla Blanca En las puntas de las ramas Enana (0.2 a 0.4 m)
Tamaño de la planta
madre y otra del padre. Cuando se producen los gametos, los caracteres hereditarios se separan (segregación) y vuelven a reunirse cuando se forma el nuevo individuo. En el cuadro se representa un cruzamiento en un solo par de caracteres (monohíbrido) en el chícharo que ilustra el principio de la segregación (cuadro iv.2). A partir de los resultados obtenidos en este tipo de cruzamiento, Mendel obtuvo las conclusiones siguientes: cada rasgo está determinado por dos unidades físicas (genes). Dos genes juntos controlan una característica hereditaria. Hoy se llaman alelos, y se conoce que están en un mismo sitio(locus) del cromosoma. Los pares de genes se separan durante la formación de los gametos (principio de la segregación). Cada gameto tiene un solo gen para el rasgo; al unirse en la fertilización, el nuevo ser tiene un gen proveniente del padre y otro de la madre. Al formarse las células que srcinan los gametos, cada gen tiene la misma probabilidad que el otro de pasar a la célula hija. Esto ocurre al azar. Cuando están presentes dos alelos del mismo gen, uno (dominante) puede enmascarar la expresión del otro (recesivo). Las líneas puras tienen dos de los mismos alelos para el ras70
Cuadro iv.2. Principios de la segregación. Cuando se producen los gametos, los caracteres hereditaros se separan (segregación) y vuelven a reunirse en el nuevo individuo. Generación parental
Generación F1
Semilla amarilla (AA)
X
Semilla verde (aa)
Todas las plantas con semilla amarilla (Aa)
Autofertilización
Generación F2
Tres cuartos de semillas amarillas y un cuarto de semillas verdes
go en estudio. Son homocigotos. Los híbridos tienen dos alelos diferentes. Son heterocigotos. Una vez establecido el resultado de cruzar plantas que difieren en una sola característica o rasgo, Mendel procedió a cruzar plantas que difieren en dos características hereditarias (dihíbridos). A partir de estos resultados estableció el principio de la asociación independiente de los caracteres (cuadro iv.3). El principio de la asociación independiente de los caracteres significa que la distribución de los genes para un rasgo no afecta la distribución de otro en los gametos. Al reunirse en el nuevo individuo, esto ocurre al azar y las proporciones obser71
Cuadro iv.3. Principio de la asociación independiente de los caracteres. La distribución de los genes para un carácter no afecta la distribución de otro carácter en los gametos. Generación P1
Semilla amarillas lisas (AALL)
Semilla verdes rugosas (aall)
Todas las plantas con semillas amarillas lisas (AaLl)
Generación F1
Generación F2
X
9
/16 con semillas amarillas lisas,3/16 con semillas amarillas rugosas, 3/16 con semillas verdes lisas y 1 /16 verdes rugosas
vadas dependen de cuáles sean los alelos dominantes y cuáles los recesivos. El cuadro de Punnett
Para analizar el resultado de un cruzamiento se construye un cuadro de Punnett. En éste se representan los gametos de cada uno de los progenitores de un cruzamiento, se analizan todas las combinaciones posibles y posteriormente, de acuerdo con las relaciones de dominancia de los alelos, se calcula cómo serán los fenotipos de los descendientes. El cuadro de Punnett es una tabla usada por los genetistas, para contribuir a determinar las probabilidades de que la des72
Cuadro iv.4. Cuadro de Punnett. Se utiliza para mostrar ordenadamente los genes paternos y maternos así como todas las probabilidades de asociación entre éstos.
c
Gametos
C
c
C
CC
Cc
Cc
cc
En este ejemplo CC será homocigótico para el color castaño, Cc heterocigótico y cc rubio.
cendencia herede un carácter. El cuadro de Punnett no define cuántos hijos nacerán ni en qué orden lo harán. Veamos un ejemplo: ambos padres tienen el cabello de color castaño heterocigótico con un gen rubio. Designamos con una letra mayúscula el color dominante y con la letra minúscula el color recesivo. C = cabello castaño y c = cabello rubio. El cruzamiento será así: Cc X Cc (Cruce en que los padres son heterocigóticos para el cabello castaño). Gametos: cada progenitor produce dos tipos de gametos: Cyc Cyc
No hubo gloria para Mendel
Aunque Mendel dio a conocer los resultados de sus experimentos, que marcaban el nacimiento de la genética, los hombres de 73
ciencia de su época no estaban preparados para interpretarlos con la misma claridad. No se conocía entonces cómo se dividían las células ni cómo se forman los gametos o células reproductoras masculinas y femeninas. Debido a esto, solamente el genio de Mendel pudo interpretar la relación entre la herencia y el contenido celular. No fue hasta principios del siglo xx que se conocieron con exactitud los procesos de división celular con la ayuda del microscopio. Entonces se pudieron interpretar los descubrimientos de Mendel —quien ya había muerto— y la ciencia le otorgó el reconocimiento y la gloria que le correspondían por sus trabajos (Jorge, 1986). Los primeros años del siglo xx vieron florecer la genética. Los agricultores aprendieron a cruzar variedades distintas de maíz y a obtener híbridos de alta calidad que aumentaban mucho la productividad de sus cosechas. Se duplicaba así el tamaño de las mazorcas, aumentaba el número de hileras de granos, la cantidad de granos por hilera y el número de mazorcas por planta. También se lograba reducir enormemente las pérdidas en las cosechas, debido a las enfermedades y plagas del maíz, al aumentar la resistencia natural de las plantas. Se desarrollaron variedades nuevas de plantas de maíz de distintos tipos con alto rendimiento en la producción de grano, forraje, y maíz para palomitas; se obtuvieron de esta manera nuevas variedades con mayor contenido en nutrimentos y cualidades como la resistencia a la desecación. La genética comenzó a contribuir a impulsar la agricultura y la economía. Su estudio se hacía cada vez más necesario. La mosca de las frutas
A partir de los resultados obtenidos con la aplicación de la genética a la agricultura se iniciaron también investigacio nes genéticas con animales. Entre ellos se encontraba un humilde 74
ser, al parecer sin importancia: la mosca de las frutas (Drosophila melanogaster), objeto de la atención de los primeros genetistas. La mosca de las frutas se captura y reconoce fácilmente. Ella acude con rapidez a los lugares donde existen frutas como plátanos, piñas, naranjas u otras frutas en descomposición. La mosca es atraída por el olor característico que despiden los frutos. Para observar este pequeño animal es conveniente usar una lupa o microscopio estereoscópico y, si es posible, adormecerlo dentro de un frasco con algodón humedecido con unas gotas de éter etílico. La mosca de las frutas se conserva con facilidad en colecciones de laboratorio. Basta con preparar para ellas un alimento especial, una especie de natilla semisólida y depositarlo en el fondo de pequeños frascos o viales, tapados con algodón para dejar pasar el aire; las moscas se colocan en su interior y se conservan a temperatura ambiente, unos 30°C. De esta manera se obtienen numerosos hijos de cada cruzamiento al reproducirse las moscas en abundancia. Cuando los primeros investigadores trabajaron con la mosca de las frutas, se les ocurrió observar el efecto que hacían en ellas los rayos X. Pudieron comprobar la aparición de tipos nuevos, diferentes de sus padres, porque tenían modificaciones en el color, la forma y el tamaño de sus órganos (modificaciones morfológicas). Estos tipos nuevos transmitían a sus hijos las nuevas características. Eran líneas mutantes (Southin, 1993). Las mutaciones son el resultado de cambios en el material hereditario, por eso se transmiten a la descendencia. Se diferencian del llamado tipo salvaje de la misma especie. Este último es el que aparece con mayor abundancia en la naturaleza. El tipo salvaje de la mosca de las frutas es el que aparece con más frecuencia en condiciones naturales. Posee, entre otros, algunos rasgos como el cuerpo de color castaño, los ojos rojos y el tamaño pequeño. Las mutaciones pueden aparecer 75
en cualesquiera de las partes del cuerpo de la mosca. Los laboratorios que se dedican al estudio de la mosca de las frutas o a otras actividades en las cuales se requiere tener ejemplares de esta especie, conservan líneas puras de los diferentes mutantes en colecciones vivientes. Una colección de mutantes de Drosophila suele tener moscas con ojos de color rojo —salvajes—,
cereza, clavel, bermellón, rosado, melocotón, marrón, blanco y otros; alas largas —salvajes— vestigiales o minúsculas, rizadas y de tamaño mediano. Los mutantes para el largo del ala, por lo general no pueden volar y se desplazan dando pequeños saltos. También hay otras mutaciones de color del cuerpo y de disposición de las cerdas presentes en el tórax. Todas ellas en conjunto pueden ubicarse en un pequeño espacio, y si se les ofrecen los cuidados necesarios, cada línea se conserva indefinidamente. Mediante el estudio de cruzamientos en este organismo, aparentemente sin importancia, se han descubierto y explicado distintos principios genéticos; uno de los más importantes es la teoría cromosómica de la herencia, como se verá más adelante. Además, la mosca de las frutas ayudó a descubrir cómo se define el sexo de un nuevo individuo y otros descubrimientos relacionados con las mutaciones, que enriquecieron y dieron cuerpo teórico a la ciencia iniciada por Gregor Mendel. Se abrió así el camino a nuevas investigaciones en las cuales se realizan estudios más detallados y profundos. El desarrollo de la genética y el descubrimiento de las moléculas de la herencia marcó el camino para nuevas investigaciones. Esto hizo necesario estudiar —además de los animales y de las plantas— otros organismos, no por pequeños menos interesantes e importantes: los microbios. Éstos han proporcionado una gran cantidad de información útil y provechosa para la genética, la biología molecular, la ingeniería genética y la biotecnología actual. 76
bibliografía
Audesirk, Teresa, Gerald Audesirk y Bruce Byers, La vida en la Tierra, 6ª ed., Prentice Hall, México, 2003. Biggs, Alton, Chris Kapicka y Linda Lundgren,Biología: la dinámica de la vida, McGraw Hill, México, 2000. Bregere, F., “La Escherichia coli: clave de la genética moderna”, Impacto, núm. 32 (2) (unesco, París, 1982), pp. 195-207. Jorge, Dora E., El maravilloso mundo de la herencia, Gente Nueva, La Habana, 1986. Southin, John L., Forty Eight Lectures in Modern Biology, Kendall Hunt Pub. Co., Iowa, 1993.
77
V. La historia del ADN
La herencia en la célula
Los trabajos de Gregor Mendel, el fundador de la genética, permanecieron ignorados durante 30 años. El genio de Mendel solamente se reconoció después del descubrimiento de los procesos de división celular. La observación microscópica de las células en división reveló la presencia e importancia de los cromosomas. Cuando se evidenció la relación entre genes y cromosomas se interpretaron los principios básicos de la genética expuestos por Mendel y comenzó el auge de esta ciencia con el inicio del siglo xx. Con ayuda del microscopio óptico se visualizaron las células y se observó que en el núcleo existen unos filamentos visibles al microscopio que se colorean fácilmente. Estos filamentos fueron bautizados como cromosomas (del griego jÔma, color, y sÔma, cuerpo); los cromosomas se dejan ver cuando las células se dividen, entonces se aprecia su hermoso movimiento, semejante a un baile, durante las diferentes etapas de la división celular (Jorge, 1986). Luego de muchas discusiones, porque los científicos son personas difíciles de convencer si no están ante hechos comprobados, se llegó a la conclusión de que Mendel había hablado de factores hereditarios, conocidos hoy día como genes, y se planteó que los cromosomas son el sitio de la célula donde es78
tán los genes. Al dividirse la célula los cromosomas se distribuyen por igual en las células hijas; al formarse los gametos, las células resultantes tienen exactamente la mitad del número de cromosomas de la especie; por ejemplo, si el hombre tiene 46 cromosomas, los óvulos y los espermatozoides tienen cada uno 23 cromosomas. Al unirse y formar el huevo o cigoto, que srcina un nuevo ser, éste tiene 46 cromosomas, permaneciendo inalterado el número de cromosomas normal de la especie humana. Estos procesos cumplen perfectamente con los principios de la segregación y de la asociación independiente de los caracteres, descubiertos por Mendel al interpretar los resultados de los cruzamientos que realizó en el guisante (Jorge, 1986). La teoría cromosómica de la herencia
Con el auge de las investigaciones sobre la herencia, se hacía necesario demostrar la hipótesis acerca de la localización de los genes en los cromosomas. Thomas Hunt Morgan (1866-1945), biólogo y genetista estadunidense, conjuntamente con sus colaboradores demostró cómo los genes se transmiten físicamente a través de los cromosomas, y confirmó así las leyes de la herencia expuestas por Mendel. De esta manera sentó las bases de la genética experimental moderna (Audesirk, 2003). Las investigaciones de Morgan, en el año 1910, utilizaron a la mosca de las frutas como animal de experimentación. Este pequeño animal posee muchas ventajas para ser utilizado en el laboratorio: es fácil de mantener en frascos pequeños con medio nutriente. En cada cruzamiento pueden obtenerse unos 150 hijos y es posible observar muchas características visibles con la ayuda de un microscopio estereoscópico. Una de las investigaciones realizadas por Morgan y sus colaboradores consistió en inducir mutaciones artificiales por 79
medio de los rayos X. De esa manera observaron cambios hereditarios en la forma de las alas, el color de los ojos, la distribución de cerdas en el tórax y el color del cuerpo. Con estas líneas mutantes realizaron cruzamientos dirigidos para comprobar cómo se transmiten las características hereditarias. Para cruzar las moscas se escogen los caracteres a investigar y se duermen las moscas con ayuda del éter etílico. Se toman con un pincel y se colocan juntas dos o tres parejas en un frasco con alimento. Al cabo de dos semanas comienzan a emerger las moscas hijas. Éstas se duermen con éter y se sacan de los frascos para observarlas al microscopio, observar cómo se combinaron las características de los padres y contar cuántas hay de cada tipo. De esta manera puede saberse el modo en que se combinan las características en los hijos y esclarecer por qué esto ocurre así. Entre los descubrimientos de estos investigadores está la creación de mapas de genes, dispuestos a lo largo de una línea en los cromosomas. En efecto, cada gen se puede localizar en un sitio particular del cromosoma. Estos investigadores fueron los primeros en hacer un mapa genético. Morgan obtuvo el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1933. Los estudios que realizaron estos investigadores con los mutantes de la mosca de las frutas, así como los trabajos de otros científicos, permiten afirmar sin lugar a dudas que los “factores” de Mendel, que hoy conocemos como genes, están localizados en los cromosomas de las células. Ésta es la razón por la cual las células hijas portan los genes; éstos pasan a ellas en los cromosomas durante los procesos de división celular y de formación de los gametos. Todo este caudal de información permitió confirmar una de las verdades más sólidas de la biología: la teoría cromosómica de la herencia. Esto significa que los genes están localizados en los cromosomas del núcleo de la célula. Esquemáticamente se puede representar a los genes dispuestos en hilera de manera 80
similar a la que componen las cuentas en un collar. Si imaginamos que esas cuentas tienen muchos colores, vamos formando una idea de la multitud de características que pueden estar juntas en un mismo cromosoma. La presencia en los hijos de características combinadas de ambos padres —lo cual se conoce en genética bajo el nombre de recombinación hereditaria— es el resultado del intercambio de segmentos de los cromosomas en las células (Audesirk, 2003), lo cual se puede comparar, a grandes rasgos, con lo que ocurriría si se intercambian las cuentas de colores del collar, una por una o formando grupos. La herencia, ¿proteínas o ADN?
La pregunta que surgió inmediatamente en la mente de los investigadores, a partir del conocimiento de la teoría cromosómica de la herencia fue: ¿qué parte del cromosoma transmite la herencia? Por entonces, ya entrado el siglo xx en su segunda década, los bioquímicos comenzaron a tomar parte en esta historia de inteligencias enfrentadas a un reto científico. Era preciso explicar cuáles eran las moléculas responsables de la herencia biológica. Se hacía necesaria una respuesta a una escala más profunda que el nivel celular: el nivel molecular. Los investigadores habían comprobado con anterioridad que los cromosomas de las células eucariotas estaban compuestos por dos tipos de biomoléculas: ácidos nucleicos, ADN o ácido desoxirribonucleico y proteínas. Es preciso destacar que durante la época en que se estaban llevando a cabo estos estudios se conocía bastante poco acerca de los ácidos nucleicos. Su función en la célula se desconocía y su estructura molecular aún no había sido definida. Sin embargo, el estudio de las proteínas como uno de los 81
tipos de biomoléculas esenciales para la vida ya había comenzado. Éstas se investigaban con gran interés porque se conocía su participación en el metabolismo de todos los seres vivos, bien como moléculas que forman parte de importantes componentes celulares, o como enzimas sin las cuales la célula puede sufrir graves daños, incluso la muerte. Basados en estos conocimientos los científicos razonaban que si los cromosomas de la célula están formados por ADN y proteínas, estas últimas debían tener un papel muy importante en la herencia celular, de ahí que les atribuyeran de antemano la propiedad de ser las portadoras de la información hereditaria (Southin, 1993). Para tratar de esclarecer la verdad científica acerca del papel de las proteínas y el ADN en la herencia celular se llevaron a cabo algunos ingeniosos trabajos, los cuales relataremos a continuación. La transformación
En 1928, un grupo de científicos encabezado por Frederick Griffith investigó dos cepas distintas de la bacteria Streptococcus pneumoniae, también conocida bajo el nombre de neumococo por ser el agente que causa la neumonía en los ratones y en el hombre. Se estudiaban dos cepas o líneas genéticamente distintas de esa bacteria: la primera era capaz de enfermar a los animales de laboratorio y al hombre (virulenta), y la segunda no provoca la enfermedad (inocua). Cada una de las líneas o cepas de la bacteria bajo estudio es capaz de transmitir fielmente a la descendencia todos sus rasgos. Las bacterias lisas siempre dan lugar a cultivos con colonias de aspecto brillante, debido a que poseen cápsula; cultivos bacterianos de este tipo causan la enfermedad en el hombre y en los ratones; si se hace la disección de los cadáveres de los animales enfermos, pueden aislarse bacterias formadoras de 82
colonias brillantes, poseedoras de cápsula y virulentas, es decir, las mismas propiedades que aquellas bacterias que les dieron srcen (Stahl, 1969). La cápsula se observa con la ayuda del microscopio, es una capa gruesa y brillante que rodea las células. Se trata de una cubierta externa formada por moléculas de azúcar. La cápsula no es esencial para la vida, pero las bacterias con cápsula están preparadas para sobrevivir en el interior del organismo al que infectan, en este caso el ratón. La barrera brillante que envuelve las bacterias impide el ataque de los leucocitos de la sangre. Como sabemos, los leucocitos cumplen una función muy importante en la defensa de los organismos a las infecciones: la fagocitosis. Ésta consiste en capturar toda partícula extraña que penetre en el organismo y destruirla. Las bacterias poseedoras de cápsula pueden infectar al organismo del animal de experimentación y multiplicarse libremente en su interior. En efecto, el ratón se encuentra indefenso frente a la infección, ya que sus leucocitos no pueden dar cuenta de las bacterias invasoras, las cuales pasan a la sangre, a los pulmones y a otros tejidos del animal donde se multiplican rápidamente hasta provocarle la muerte. Es por eso que los neumococos con cápsula son virulentos, esto es, provocan la enfermedad en el ratón y también en el hombre. Las bacterias no capsuladas son inocuas o avirulentas, no enferman a los animales de experimentación ni al hombre porque son víctimas seguras del ataque de los leucocitos. Las características generales que permiten diferenciar las dos cepas estudiadas por los investigadores aparecen en el cuadro v.1. Veamos ahora el experimento que llevaron a cabo Griffith y sus colaboradores: éste consistió en inocular por separado los ratones con cultivos de las cepas de neumococos bajo estudio de acuerdo con la figura v.1. El experimento consiste en inocular por separado cepas vi83
Cuadro v.1. Caracteres de las cepas capsuladas y no capsuladas del neumococo. Nombre de la cepa
Cápsula
Lisa
Sí Tipo de colonias Enferma los ratones Se aislan en
No Lisas brillantes Sí Pulmones, sangre
Rugosa
Rugosas opacas No No
vas de neumococos y cepas muertas por efecto del calor en ratones y observar el desarrollo de la enfermedad. En cada caso se señala el tipo de bacteria inoculada y las consecuencias para la salud del ratón. Si se observa cuidadosamente el esquema surge una contradicción entre los tres primeros ensayos y el último de ellos. En este caso, ¿por qué los ratones enferman y mueren de neumonía, si las bacterias presentes en el cultivo virulento están muertas? Las bacterias rugosas vivas eran inofensivas para los ratones, como se demuestra en el primero de los experimentos, y las bacterias muertas no provocan la enfermedad. Ante la posibilidad de haber cometido un error que los condujera a obtener resultados falsos, los investigadores repitieron tantas veces como fue necesario todos los experimentos y comprobaron que en efecto, cuando mezclaban las células vivas rugosas con las células lisas muertas por efecto del calor, los ratones enfermaban y morían. Además, de los tejidos y de la sangre de los animales que morían se podían aislar bacterias lisas vivas, capaces de formar las colonias brillantes típicas de las cepas virulentas, lo cual tampoco era de esperar de acuerdo con los experimentos anteriores. Dicho en pocas palabras, las bacterias rugosas avirulentas se habían transformado en bacterias lisas virulentas. Los investigadores estaban presenciando la primera eviden84
Bacteriasvirulentasvivas
Inyección
Ratónmuerto
Bacteriasavirulentasvivas
Inyección
Ratónvivo
Bacterias virulentas muertas por calor
Inyección
Ratónvivo
Mezcla de bacterias avirulentas vivas con virulentas muertas
Inyección
Ratónmuerto
Figura v.1. Experimento de Griffith. Este experimento demuestra el intercambio genético entre las bacterias, fenómeno al que se denominó transformación.
cia de que las bacterias intercambian su material hereditario, pues la transformación ocurrida se debe a que el gen responsable de la formación de cápsula pasa de una célula muerta a una célula viva, no capsulada, y transforma a esta última en capsulada. Se había descubierto un fenómeno hasta entonces desconocido cuya causa era necesario esclarecer. Éste recibió el nombre de transformación (Hayes, 1970). Algunos años más tarde se pudo comprobar que la transformación bacteriana también ocurre “in vitro”, es decir, fuera del organismo de un animal de experimentación. En efecto, un cultivo de células avirulentas se mezcló con los restos de un cultivo de células virulentas previamente sometidas al efecto del calor para matarlas, se sembró esa mezcla en una placa con medio de cultivo y al cabo de unas cuantas horas aparecieron las colonias brillantes típicas de las bacterias lisas virulentas. Estos resultados estimularon aún más la curiosidad de los investigadores por conocer qué parte de las células era capaz de transmitir el gen responsable de la formación de la cápsula en el neumococo. Fue así que en el año 1944 un grupo de investigadores llamados Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty dieron a conocer los resultados de 10 años de investigaciones sobre la transformación. En un experimento muy elegante estos autores lograron separar en un tubo de ensayo las distintas partes componentes de las células lisas mediante la técnica conocida como fraccionamiento celular. El experimento consistió en separar cuidadosamente en un tubo de centrífuga cada una de las partes componentes de una célula de tipo virulento: una vez aisladas las fracciones de la célula, las pusieron en contacto de una en una con cultivos vivos de bacterias rugosas (no virulentas). De esa manera, cuando unieron la fracción del ADN celular de las bacterias lisas con el cultivo de bacterias rugosas y las sembraron en medio sólido, al cabo de unas horas observaron la aparición de colonias lisas y brillantes, caracte86
rísticas de la cepa virulenta. Se había demostrado “in vitro”, es decir, fuera de una célula viva, que el ADN era el agente transformador (Hayes, 1970). El experimento de Avery y sus colaboradores se puede esquematizar como se muestra en la figura v.2. Si bien el cuidadoso trabajo de este grupo de investigadores ofrecía una prueba muy valiosa del papel que desempeña el ADN en la transformación, quedaba por demostrar un asunto importante: ¿ocurre por igual el intercambio genético entre las células vivas? Cuando se realizan experimentos “in vitro” siempre pueden ocurrir reacciones alteradas por las condiciones artificiales creadas para realizar el experimento. Por eso los científicos necesitan confirmar esos resultados en sistemas vivientes, es
ADN de bacterias lisas se pone en contacto con una bacteria receptora rugosa
El ADN transformante penetra en la bacteria y hace contacto con el ADN bacteriano
El ADN transformante se incorpora al ADN de la célula rugosa y la transforma en lisa
2
igura v. . Experimento Avery-McLeod-McCarty. Se aislóobservándose el ADN por F fraccionamiento celular y sede inoculó en una cepa de neumococo,
su transformación de rugosa (no virulenta) alisa (virulenta). 87
decir, “in vivo”. El trabajo siguiente fue el experimento de la batidora. El experimento de la batidora
Un grupo de investigadores encabezado por Alfred D. Hershey y Martha Chase realizó en el año 1952 un experimento que fue el fruto de un diseño muy inteligente. Gracias a éste se obtuvo la respuesta definitiva a la incógnita acerca del papel que desempeña el ADN en la herencia. Este ingenioso trabajo se llevó a cabo “in vivo” y utilizó el llamado sistema fago-bacteria. Los miembros de ese sistema son las conocidas bacterias intestinales Escherichia coli y un virus bacteriano o bacteriófago parásito de esa bacteria, cuyo nombre es sencillamente T2. ¿Por qué seleccionaron los investigadores el sistema fagobacteria? Entre la bacteria y el bacteriófago se establece una relación muy curiosa. Cuando el bacteriófago penetra, prácticamente se apodera de la célula bacteriana y la hace “trabajar” para él. Así, los componentes del sistema de síntesis de proteínas propios de la bacteria dejan de sintetizar proteínas bacterianas y comienzan a sintetizar las proteínas propias del bacteriófago. Éstas son las que forman las cubiertas externas del bacteriófago. Recordemos que los bacteriófagos, al igual que el resto de los virus, están compuestos por ácido nucleico y proteína. El ácido nucleico ocupa el centro y a su alrededor se disponen las proteínas integrantes de la estructura protectora del fago. Un dato interesante para los investigadores es que la estructura y la composición química de los cromosomas de las células eucariotas es muy semejante a la composición química del bacteriófago. En los cromosomas las proteínas están asociadas estrechamente al ADN, lo cubren y separan de los otros cromosomas; la gran similitud química y estructural que existe entre los bacteriófagos y los cromosomas es uno de los aspectos que constituyen la clave de este experimento. 88
Es un hecho conocido que los elementos químico radiactivos pueden sustituir a los elementos no radiactivos presentes en las moléculas biológicas. Esto permite marcar un tipo de molécula con radiactividad para poder distinguirla del resto de las moléculas presentes en la célula. Si un cultivo de bacterias se hace crecer en un medio nutritivo con elementos químicos marcados por la radiactividad, éstos se incorporan de modo natural a las moléculas de las bacterias en crecimiento. Si se inoculan bacteriófagos a esas bacterias, la descendencia de éstos estará marcada también, porque ellos incorporan las moléculas marcadas que les “roban” a las bacterias al invadirlas. Los ácidos nucleicos son ricos en fósforo y no contienen azufre. Por su parte, muchas proteínas contienen azufre en sus moléculas. Por eso, los investigadores utilizaron un ardid para distinguir las moléculas de proteína de las moléculas de ácido nucleico. Incorporaron a los cultivos elementos marcados con radiactividad: azufre radiactivo a las proteínas y fósforo radiactivo a las moléculas de ADN. Una vez incorporado el azufre radiactivo (S35) a las proteínas del bacteriófago y el fósforo radiactivo (P32) al ADN, se prepararon dos experimentos paralelos como aparece en el esquema de la figura v.3. Para iniciar cada uno de los ensayos se pusieron en contacto los fagos marcados con los cultivos de la bacteria Escherichia coli durante unos minutos con el objetivo de permitir que los virus entraran en contacto con las bacterias. Inmediatamente se sometieron a la agitación en una batidora de cocina para separar los restos de bacteriófagos de la superficie de las bacterias, de ahí el singular nombre del experimento. A continuación, se centrifugaron todas las muestras para que las bacterias fueran al fondo del tubo de centrífuga y formaran un precipitado bacteriano. En el líquido sobrenadante permanecieron los restos de bacteriófagos porque su peso y volumen era menor que el de las células. 89
Bacteriófagos con fósforo marcado + E. coli
Baceriófagos con azufre marcado + E. coli
Agitar en el agitador Waring
Centrifugado
Conteo de la radiactividad en el precipitado y el sobrenadante 75% 15% 25% 85%
Figura v.3. Experimento de Hershey y Chase. Se utilizó el sistema bacteriófagobacteria y el marcaje radiactivo del ADN y de la proteína en dos juegos de experimentos paralelos, detectándose que el ADN es la fracción del bacteriófago que penetra la bacteria, mientras que la proteína queda en el exterior.
El razonamiento seguido por los investigadores fue el siguiente: aquella parte del fago que penetra en la bacteria la marca radiactivamente; la parte que no penetra queda en el sobrenadante. ¿Cómo identificar cada una de esas partes componentes del fago? El marcaje radiactivo define la situación: si se encuentra radiactividad en el sobrenadante al utilizar azufre radiactivo, esto indica que las proteínas poseen azufre radiactivo y que éstas no penetran en la bacteria. Si por el contrario, la radiactividad en el caso del fósforo marcado, está presente en el precipitado, significa que se marcó el fósforo del ADN. Por tanto, ésta es la parte del fago que penetra la bacteria. 90
En el juego de experimentos en que se había marcado la proteína, la radiactividad sería detectada donde quiera que se encontraran dichas moléculas. Lo mismo sucedería en el juego en el que se hubiera marcado el ADN con fósforo radiactivo; el ADN del fago estaría presente allí donde estuviera la radiactividad (Hayes, 1970). Los resultados de los investigadores y su interpretación se muestran en el cuadro v.2. Las conclusiones de este trabajo fueron aceptadas porque no dejan lugar a dudas acerca del papel del ADN en un sistema vivo: el ADN es la parte del fago que penetra en las bacterias del mismo modo que el ADN es el responsable de la transformación, de ahí que a partir de entonces se pueda afirmar con seguridad que el ADN es el material hereditario. Este ingenioso experimento le valió a Hershey el Premio Nobel por su contribución al esclarecimiento del papel de los ácidos nucleicos en la herencia. El virus del mosaico del tabaco
Un virus muy sencillo es capaz de provocar en las plantas del tabaco la enfermedad conocida como mosaico del tabaco. Su composición química es diferente de la del fago estudiado por Cuadro v.2. Resumen de los resultados del experimento de Hershey y Chase: el ADN marcado penetra en la célula bacteriana y la proteína marcada queda en el sobrenadante. Experimento
Marcaje
1. Proteína marcada
2. ADN marcado
Radiactividad en el sobrenadante
en el fondo delRadiactividad tubo
Significado
Cubierta del fago no penetra Penetra el adn
91
Hershey porque contiene ARN o ácido ribonucleico en lugar de ADN, además de las proteínas de la cubierta. Este minúsculo germen fue investigado para definir cuál de sus componentes penetra en las hojas del tabaco y enferma la planta. Pudo comprobarse que el ARN del virus del mosaico del tabaco invade las células, las parasita e infecta la planta. Este trabajo permitió generalizar la idea de que los ácidos nucleicos (ADN y ARN) pueden ser portadores del mensaje hereditario en los distintos tipos de células y virus (Southin, 1993). Las diferencias en la composición de las moléculas de ADN determinan las diferencias en cuanto a las características hereditarias. Veamos un ejemplo: existe un gen que dirige la síntesis de la molécula de hemoglobina de la sangre humana. Si se altera el orden de los nucleótidos del ácido nucleico que constituye dicho gen, tiene lugar una alteración en la síntesis normal de hemoglobina. Como resultado aparece una hemoglobina distinta cuyas propiedades están alteradas y puede afectarse su función en el transporte de oxígeno gaseoso a las células. En los seres humanos existe una enfermedad hereditaria conocida como anemia falciforme, cuya causa es precisamente la alteración de la hemoglobina motivada por una afectación del ácido nucleico. Se ha explicado antes que al ocurrir un cambio en el material hereditario, se produce una mutación; éste es un cambio en una función o en la morfología del organismo, transmisible a los hijos. Las mutaciones, a nivel molecular, son alteraciones en el orden o en el número de los nucleótidos en la molécula de ADN. Los genes dirigen la síntesis de proteínas
El material genético tiene la función de dirigir todo el metabolismo celular y por eso los ácidos nucleicos definen cuáles serán las biomoléculas presentes en la célula. El material genético se 92
traduce en tipos de proteínas definidos que son fabricadas en las células. Estas proteínas participan a su vez en la síntesis y en la degradación de otras moléculas y forman parte de las estructuras del organismo. Un ADN que haya sufrido una mutación dará lugar a la formación de una proteína nueva, distinta a la dirigida por el gen salvaje para ese carácter. Por ejemplo, una mutación en el ADN responsable del color amarillo de la semilla, altera la proteína o las proteínas responsables de la formación de los pigmentos para el color de la semilla, y aparece entonces el color verde como una consecuencia del efecto de las nuevas proteínas formadas. Los distintos mutantes para el color de los ojos en la mosca de las frutas tienen tonalidades diversas: rojo, clavel, bermellón y otros distintos, hasta el tono blanco. Esto se debe a la mutación de diferentes secuencias de nucleótidos en el ADN. Como resultado aparecen proteínas diferentes en cada mutación, y también se forman pigmentos de colores diferentes, lo cual srcina la gama de tonalidades en los ojos de las moscas (Southin, 1993). En las mutaciones de las bacterias ocurre algo semejante. En los ejemplos mencionados antes, el ADN define si una bacteria necesita o no de un determinado nutriente, o si va a ser más o menos resistente al calor. El código genético
Las moléculas de ADN están organizadas de acuerdo con un código que se transcribe al ARN. Éste actúa de modo parecido a un cifrado, como la clave morse del telégrafo, para transmitir información. Esa clave se conoce como código genético (Lehningher, 1980). El código genético es un fascinante rompecabezas cuya solución abrió las puertas para la realización de trabajos que, 50 años atrás hubieran parecido actos de magia o de ciencia-ficción. 93
Cuadro v.3. El código genético. Los tripletes de bases en el ARN codifican a los aminoácidos según se observa en el cuadro. Hay señales de detención que liberan la cadena peptídica sintetizada. U
C
A
G
UUU
UCU
UAU
UGU
U
UGC
C
UGA
A
Fenilalanina U UUC Fenilalanina Leucina
UUA
UUG Leucina Leucina C Leucina Leucina Leucina Isoleucina
Serina
Tirosina UCC
Serina
UCA
Serina UCG Serina
CCU
Prolina
CUU CCC
CUA
CCA
AUU
Prolina
CCG
Prolina
ACU
Treonina
A AUC ACC Isoleucina Treonina Isoleucina Metionina Valina
AUA AUG GUU
G GUC Valina Valina Valina
GUA GUG
Alto
UAC UAA
UAG Alto
CUC Prolina
CUG
Tirosina
Cisteína
ACA
Treonina
ACG
Treonina
Histidina
Glutamina Asparagina Asparagina Lisina Lisina
Alto UGG Triptófano
CAU
Histidina CAC Glutamina
Cisteína
CAA CAG AAU AAC AAA AAG
Arginina Arginina Arginina Arginina Serina Serina Serina Arginina
GCU
GAU Ácido aspártico
Glicina
GCC
GAC Ácido aspártico
Glicina
GCA
GAA Ácido glutámico
Glicina
GCG GAG Alanina Ácido glutámico
Glicina
Alanina Alanina
Alanina
G CGU
U
CGC
C
CGA
A
CGG
G
AGU
U
AGC
C
AGA
A
AGG
G
GGU
U
GGC
C
GGA
A
GGG
G
Para llegar a definir la existencia del código genético fue necesario establecer y comprobar los principios básicos de la genética, y después, definir el papel de los genes en las células (cuadro v.3). Moléculas y evolución
La gran diversidad de seres vivos que pueblan nuestro planeta tiene en común muchas cosas. Si se analiza cuidadosamente la composición química de la célula viva, se pone de manifiesto que las grandes moléculas biológicas existen por igual en todos los organismos, y tienen iguales funciones en todos ellos (Lehningher, 1980). Las moléculas sencillas, componentes elementales de las grandes moléculas, son también las mismas y su número es reducido. La energía en todos los seres vivos se almacena en las mismas moléculas. Por otra parte, el código genético es igual para todos los seres vivos, desde las bacterias hasta los seres humanos (Audesirk, 2003). Estos hechos permiten afirmar con certeza que la evolución de las formas de vida se demuestra también al nivel de las moléculas. El conocimiento de las moléculas y la estructura de las células bacterianas y de los virus ha sido definitivo para la biología molecular. Esta rama del conocimiento tiene gran importancia en la actualidad y gracias a su desarrollo se han podido conocer muchos detalles importantes sobre la estructura y función de las células procariota y eucariota.
bibliografía
Audesirk, Teresa, Gerald Audesirk y Bruce Byers,La vida en la Tierra, 6ª ed., Prentice Hall, México, 2003. 95
Hayes, William, The Genetics of Bacteria and Their Viruses, Blackwell Scientific Publications, Oxford / Edimburgo, 1970. Jorge, Dora E., El maravilloso mundo de la herencia, Gente Nueva, La Habana, 1968. Lehninger, Albert L., Biochemistry, Editorial Pueblo y Educación, La Habana, 1981. Southin, John L., Forty Eight Lectures in Modern Biology, Kendall Hunt Pub. Co., Iowa, 1993. Stahl, Franklin W., The Mechanics of Inheritance, Prentice Hall, Nueva Jersey, 1969.
96
VI. Más allá de la imaginación
La biotecnología
La imaginación del hombre lo ha hecho soñar durante mucho tiempo con modificar la naturaleza viviente. Sirenas, pegasos, centauros y serpientes con alas han sido el tema de historias, poemas, canciones, imágenes y todo tipo de leyendas, desde el srcen mismo de la existencia de la humanidad. La biología no se queda atrás en cuanto a ensueños. Sólo que para lograrlos necesita contar con posibilidades materiales y antecedentes experimentales para hacerlos realidad. En los laboratorios de genética se obtienen mutaciones en cualquier organismo mediante el uso de diferentes agentes físicos y químicos, llamados agentes mutagénicos. Las diferentes mutaciones producidas en microorganismos, animales y plantas se han investigado con profundidad, y hoy se conocen los efectos de los agentes mutagénicos sobre el ADN (ácido desoxirribonucleico) y los mecanismos moleculares de las mutaciones. Estos conocimientos se aplican en el estudio genético de los seres vivos en general. La biología actual ha revelado además los secretos del código genético, el intercambio genético en las bacterias y los elementos de la célula que participan en éste. Actualmente se investigan nuevas propiedades de muchas de las moléculas participantes en el proceso de la vida. 97
Del mismo modo que un árbol crece vertiginosamente, a medida que avanza la ciencia surgen nuevas ramas. La biología molecular ha dado paso a nuevas técnicas para modificar artificialmente los genes. Éstas se conocen como técnicas de ingeniería genética (Sasson, 1985). Como los sueños de los hombres no tienen límites, la ciencia sigue buscando cómo cambiar propiedades de los seres vivos y reunir en uno solo los rasgos de varios organismos diferentes, algo así como las “quimeras” de los griegos; éstas eran monstruos que echaban fuego por la boca, con cabeza de león, cuerpo de cabra y cola de dragón. En los años finales del siglo xx, las técnicas de ingeniería genética han hecho realidad la existencia de organismos que rebasan las barreras del sexo, las especies y los reinos: bacterias con genes de seres humanos, plantas con genes de bacterias, ratones gigantes y otras invenciones nunca antes vistas en la naturaleza. ¿Qué decir de una vacuna que inmunice de una sola vez contra más de una docena de enfermedades? (Lerner, 1983). ¿Y si una de ellas pudiera ser el sida? ¿Qué significaría para los agricultores cultivar tomates que además produzcan papas o sembrar plantas que fabriquen su propio fertilizante? ¿Cuál sería la importancia para la humanidad de las gallinas gigantes y los huevos que ellas fueran capaces de poner? El impacto de la ingeniería genética asociada a la biotecnología va más allá del asombro para transformarse en un instrumento de gran valor para la salud, la agricultura, la alimentación y la industria en general, lo cual puede producir grandes beneficios a la economía y al desarrollo de la sociedad en su conjunto. ¿Qué es la biotecnología?
Relatos de libros tan antiguos como la propia Biblia así como hallazgos de restos de las culturas primitivas nos enseñan que 98
desde los tiempos más remotos el hombre fabricó vino a partir del zumo de las uvas. La fermentación del vino, proceso mencionado antes en este libro, se iniciaba desde épocas remotas al colocar el zumo de las frutas en condiciones propicias; poco tiempo después éste se transformaba en una bebida deliciosa, el vino, que producía alegría y efectos embriagadores, diferentes a los del jugo fresco de las frutas. Más adelante, con el transcurso del tiempo, se obtuvieron nuevos productos mediante la fermentación. Apareció así en la dieta humana el consumo del yogurt y el kéfir. El hombre aprendió a tomar cerveza mucho antes del nacimiento de Jesucristo. Sin embargo, a pesar de esto, la humanidad continuó ignorando durante siglos cómo y por qué ocurren las fermentaciones. Los trabajos de Pasteur descorrieron el velo del misterio y se conoció que las fermentaciones se deben a la presencia de los microorganismos, para los cuales la fermentación es una manera de obtener energía para sus procesos vitales. Mucho tiempo ha pasado desde que el hombre comenzó a fabricar el vino para festejar y alegrar su vida, y a fermentar otros productos para procurarse alimentos tan importantes como el pan. Hoy se conocen múltiples detalles acerca de los mecanismos bioquímicos y los agentes biológicos responsables de la fermentación. La bioquímica, la microbiología, la biología molecular y la ingeniería genética han ampliado tanto las posibilidades de los procesos fermentativos, haciéndolos aparecer ahora ante los ojos asombrados de la humanidad como una rama novedosa del saber, una fuente de desarrollo de productos no imaginados antes, algo nuevo que es en realidad tan antiguo como el hombre mismo: la biotecnología (Sasson, 1985). 99
Los plásmidos
En las células de las bacterias se encuentran ciertos elementos pequeños, invisibles sin la ayuda del microscopio electrónico cuya función es tomar parte en los procesos de intercambio de material hereditario entre bacterias. Éstos son los llamados plásmidos (Novick, 1981). Los plásmidos pueden pasar normalmente de una bacteria a otra. Dos células bacterianas se atraen y se acercan, se forma entre ellas un puente, a través del cual el cromosoma de una de las dos penetra en la otra. De esta manera se preparan para intercambiar su material hereditario. El plásmido tiene la función de facilitar la unión entre las bacterias durante el intercambio genético. Los plásmidos son pequeñísimos y están formados por ADN, al igual que el cromosoma de la bacteria. Debido a su tamaño, los plásmidos portan pocos genes. Sin embargo, la información genética de los plásmidos es importante para la célula bacteriana, tanto como la información contenida en el cromosoma. En efecto, los plásmidos portan genes responsables del proceso de atracción e intercambio genético de las bacterias, además de genes que proporcionan a la célula resistencia a la acción de los antibióticos (Novick, 1981). Mediante la manipulación controlada del ADN utilizando las técnicas de ingeniería genética, se preparan variados tipos de plásmidos artificiales en el laboratorio. Los genes “extraños”, provenientes de una célula humana, de una planta o de un animal, se insertan mediante procedimientos bioquímicos muy ingeniosos en un plásmido. Un plásmido modificado en el laboratorio puede llevar incorporados genes de cualquier fuente, como una mosca, una planta, una rana o una persona, así como combinaciones de éstos. Ese plásmido puede colocarse artificialmente dentro de una célula bacteriana y provocar que la bacteria fabrique productos biológicos dirigidos por los genes 100
de la mosca, la planta, la rana o la persona. De esta manera se pueden obtener, mediante un cultivo de microorganismos, productos que solamente aparecen en la naturaleza como resultado de la actividad de órganos, tejidos o células de un organismo más complejo (Ondarza, 1981). El cultivo de bacterias portadoras de genes ajenos sintetiza el producto biológico correspondiente al gen que se insertó. De esta manera, por ejemplo, una célula de bacteria se puede modificar artificialmente insertándole un gen para la producción de insulina humana. Esa bacteria se multiplica y forma colonias, las cuales se siembran en medio líquido en tanques de fermentación. Al cabo de un tiempo se puede obtener en el medio de cultivo grandes cantidades de insulina para tratar a personas diabéticas (Aharanowitz, 1981). En los laboratorios biotecnológicos actuales se fabrican multitud de sustancias biológicas, muchas de ellas de importancia para la salud humana y de los animales. Una de ellas, el interferón, es de gran interés para la medicina. El interferón es una sustancia producida por las células de los animales vertebrados cuando los invade un virus. Forma parte de los mecanismos naturales de defensa y proporciona al organismo cierta resistencia a la invasión por los virus durante algún tiempo. Su nombre se deriva de la propiedad que posee para interferir la acción viral. Los médicos recomiendan la administración de interferón a pacientes que padecen enfermedades provocadas por virus como la hepatitis, la conjuntivitis hemorrágica y algunos tipos de cáncer. Se logra ya en los laboratorios de investigación introducir genes para la producción de interferón en células de bacterias y levaduras, con lo cual se puede obtener experimentalmente este producto mediante el cultivo de microorganismos. 101
Genes de otros organismos funcionan en las bacterias
Los cultivos de microorganismos modificados artificialmente mediante las técnicas de ingeniería genética sintetizan grandes cantidades de productos que posteriormente se obtienen en forma pura mediante procedimientos físicos, químicos y bioquímicos. Veamos algunos ejemplos. El nitrógeno es un elemento esencial para la vida. La atmósfera está compuesta por 79% de nitrógeno, pero el nitrógeno gaseoso no es una forma químicamente utilizable por los organismos vivos. Ellos no pueden incorporar el nitrógeno a partir del aire. Existen bacterias que aumentan la fertilidad de los suelos porque contribuyen a la fijación del nitrógeno atmosférico. Entre los microorganismos fijadores del nitrógeno, los más útiles y productivos son las bacterias simbióticas del género Rhizobium. Éstas colonizan y forman nódulos en las raíces de las leguminosas como el trébol, la alfalfa o el guisante. Las bacterias obtienen alimento de la planta y ésta a cambio recibe compuestos nitrogenados en abundancia. La ingeniería genética permite introducir en las células de las plantas de maíz los genes fijadores del nitrógeno extraídos de las bacterias. Para esto utilizan plásmidos preparados especialmente por ellos, que contienen los genes para la fijación del nitrógeno. En un futuro no lejano, estas técnicas harán posible lograr cultivos de maíz y otras plantas capaces de fijar el nitrógeno, y disminuir así la necesidad de aplicar fertilizantes químicos (Brill, 1981). La fermentación del vino también puede modificarse por los procedimientos de la biotecnología moderna. Actualmente es posible determinar las moléculas presentes en una muestra de vino con gran precisión mediante métodos de laboratorio, y revelar así los secretos químicos de los mejores y más deliciosos sabores. 102
Por otra parte, se estudian cultivos de tejidos de la vid con el propósito de modificar artificialmente su composición genética y obtener nuevos tipos de uvas, más grandes, jugosas y resistentes a las enfermedades. La ingeniería genética también procura realizar cambios dirigidos en células de mamíferos. En un experimento se obtuvieron ratones gigantes, auténticos superratones. Para lograrlo se aisló el gen portador de la información para la síntesis de la hormona del crecimiento de las ratas (Rattus rattus), especie diferente del ratón (Mus musculus). Mediante técnicas de ingeniería genética se introdujo el gen para la síntesis de la hormona del crecimiento de las ratas en células de ratón; los embriones de ratón, modificados genéticamente, se implantaron en ratones hembras que hicieron las veces de madres adoptivas y trajeron al mundo ratoncitos de tamaño dos veces mayor que el normal de la especie (Begley, 1980). Es posible imaginar lo que sería un cerdo o una gallina gigante así como las ventajas económicas y problemas para cercar los campos, que traería consigo aumentar la talla de los animales productores de carne. Esto no es ciencia ficción, el hombre puede alcanzar logros aun mayores a través de la ingeniería genética. Los bancos de genes son colecciones de material hereditario de plantas. Su utilización en el mejoramiento de las especies comerciales puede traer beneficios incalculables. Por eso en el cultivo y mejoramiento de plantas se ha introducido con éxito la ingeniería genética. Éstos tienen la ventaja de ser más rápidos que los métodos tradicionales de mejoramiento vegetal. El regreso a los genes ancestrales de la papa
Hace más de 8 000 años se comenzó a cultivar la papa en los Andes. Desde entonces, la constancia y el tesón de los agricul103
tores aborígenes les han permitido seleccionar plantas capaces de vivir en las más diversas condiciones ambientales de esa cadena de montañas, que es como la columna vertebral de la América del Sur. Los antiguos pobladores de Sudamérica descubrieron los secretos del cultivo de la papa y seleccionaron especies y variedades silvestres, base de la alimentación de estos pueblos y deleite de los conquistadores españoles. Los habitantes de las montañas de Bolivia, Perú, Chile, Ecuador, Argentina y Venezuela cultivan muchas variedades de papa. Estas variedades son muy diversas en cuanto a color, sabor y textura. Así, en Colombia puede saborearse una papa pequeña, de color anaranjado de suave y deliciosa textura. La diversidad genética de esta planta permite cultivarla en cualquier región, sea montañosa o llana, a diferentes temperaturas y, además, hace posible evitar el fracaso de las cosechas como resultado de las plagas de insectos y de las enfermedades producidas por hongos o por bacterias, ya que en muchos casos las plantas presentan genes de resistencia. Cerca de Cuzco, en las tierras altas al sur del Perú, se pueden encontrar agricultores que cultivan en un solo campo hasta 46 variedades diferentes de papa. La mayoría de estas plantas crece en las laderas de las altas montañas, muchas de ellas por encima de los 3 000 m de altura. Pueden verse también campos diferentes sembrados a gran distancia y distinta altitud. Todo esto lo hacen los agricultores con el propósito de utilizar la variabilidad genética y la variación ambiental para preservar sus cosechas. Si ocurre un cambio climático que afecte a una de las plantaciones, otras sobrevivirán y garantizarán la producción del tubérculo. Los métodos de cultivo primitivos brindan resultados útiles y exitosos aun en nuestros días; sin embargo, esa fuente de variabilidad genética en la papa de América del Sur ofrece me104
jores posibilidades aún: las modernas técnicas de ingeniería genética permiten transferir genes entre variedades y entre especies diferentes. Plantas de papa que atrapan insectos
El cultivo de la papa requiere de una atención especial para evitar las plagas de insectos. En las montañas de Bolivia existen variedades de papas que tienen la curiosa propiedad de atrapar a los insectos que vienen a devorarlas en la superficie de sus hojas. Las hojas de esas plantas están cubiertas por pequeños pelos glandulares o tricomas . Éstos vierten al exterior dos tipos de secreciones. Uno de los tipos de pelos seg rega un producto químico que cubre al insecto invasor. El insecto atrapado se agita para liberarse; al moverse, rompe un segundo tipo de pelo glandular que libera un producto diferente del primero. Este nuevo producto se combina con el anterior y lo endurece, algo así como la goma epóxica, que es un pegamento muy fuerte utilizado para distintos propósitos. Las patas del insecto quedan apresadas en masas de ese material duro y se pegan a la hoja. Lo mismo ocurre con la boca y otras partes del cue rpo. Los insectos mueren irremediablemente. Así se produce un control natural de las plagas típicas de la papa (Smith, 1983). Si se cruza artificialmente esa cepa de papas con cepas comerciales o se introducen por ingeniería genética los genes responsables de la producción de los pelos glandulares en las hojas, se pueden cultivar grandes extensiones de papa, en las cuales la aplicación de insecticidas resulte innecesaria, con la consiguiente disminución de los costos y posible aumento de la producción de papas (Schulman, 1985). 105
Arañas para la industria
Una simple tela de araña despierta la curiosidad y el interés de un niño, así como la de un hombre de ciencia. ¿Sabías que un hilo finísimo de seda de la tela de una araña es capaz de sostener un peso cinco veces mayor que un hilo de acero del mismo diámetro? La seda de araña es una de las sustancias más fuertes del mundo. También es muy elástica: un hilo de seda tiene nueve millonésimas de centímetro de diámetro, puede estirarse hasta alcanzar dos veces su propia longitud sin romperse; es cuatro veces más elástico que un hilo de acero de su mismo diámetro y dos veces más resistente. De modo que si fuera práctico cosechar telarañas u ordeñar arañas, sería posible producir ese diáfano material para aplicarlo en la industria: pudiera pensarse en tejer hebras de seda para hacer chalecos transparentes antibalas, vestimenta para ser usada por los cosmonautas en el espacio y en general diversos objetos que requieran resistencia, ligereza y flexibilidad. Los microbiólogos no han podido resistir la seducción de esta molécula que se considera el polímero natural más fuerte que existe en la naturaleza. Es por eso que los especialistas se han propuesto obtener en el laboratorio mediante técnicas de ingeniería genética grandes cantidades de seda, y lo están logrando. Los primeros experimentos se han hecho con el productor de seda más utilizado tradicionalmente en la industria, el gusano de la seda. Sin embargo, la seda del gusano con la cual el hombre fabrica las más exquisitas telas para vestir, no tiene las características de fortaleza que tiene la seda de las arañas. La ventaja en este caso sería producir telas de seda legítima a bajo costo (Golden, 1981). El primer paso para investigar la utilización de la seda del gusano como material útil para la industria consiste en estudiar la secuencia u ordenamiento de los aminoácidos en las fi106
bras de la seda cuya composición química es de naturaleza proteica. Esto equivale a decir que son fibras de proteína. Una vez que se logre determinar en el laboratorio el orden de los aminoácidos en la molécula de proteína de la fibra de seda, las técnicas modernas permiten definir cuáles son los nucleótidos que forman el segmento de la cadena de ADN portadora de la información genética, es decir, los nucleótidos correspondientes a los genes responsables de la síntesis de la cadena de proteína bajo estudio, en este caso, la fibra de seda. Una vez conocidos los nucleótidos y su ordenamiento en la cadena de ADN, es posible ensamblar artificialmente en el laboratorio los genes responsables de la producción de la seda. De esta manera se obtiene un ADN capaz de dirigir la síntesis de fibra de seda, cuando existen todas las condiciones necesarias para ello. Esos genes ensamblados en el laboratorio se introducen por métodos muy ingeniosos en células de bacterias receptoras, en este caso nuestra vieja conocida Escherichia coli. El cultivo de bacterias se siembra en un medio nutritivo, se desarrolla rápidamente y se obtienen millones de células en cuyo interior comienza la producción de pequeños gránulos de seda. El crecimiento del cultivo de bacterias consiste en la multiplicación de todas las células presentes. Si cada una de ellas lleva en su interior un gránulo de seda, se obtienen en pocas horas y en un pequeño volumen del cultivo bacteriano, millones y millones de gránulos. Sólo falta extraerlos de las bacterias sin dañarlos. Esto se hace rompiendo artificialmente las células, bien sea por métodos físicos como la congelación y descongelación repetidas, o por otros que no afecten la calidad de la seda. La seda liberada se extrae por un procedimiento sencillo, mediante su disolución en una solución salina. Después, para formar los hilos, se hace pasar la disolución de seda a través de una aguja hueca muy fina, la cual logra el efecto del órgano hilador natural de las arañas (Golden, 1981). 107
Alcohol en lugar de gasolina para los automóviles
En algunos países se está utilizando el alcohol conocido como etanol como combustible para los automóviles. La fermentación de los azúcares para obtener etanol se realiza generalmente utilizando el azúcar de la caña. Esto hace necesario el empleo de grandes plantaciones de esta gramínea, alimento de gran importancia para los seres humanos y para los animales, cuyo cultivo y cosecha requiere determinadas condiciones climáticas, grandes esfuerzos por parte de los trabajadores, inversiones costosas en maquinaria agrícola, fertilizantes y herbicidas. La yuca, mandioca o casava, nombres que recibe la planta Manihot utilisima en diferentes regiones de América, es un cultivo que requiere menos atención, se cosecha con relativa facilidad y puede lograrse en muy diferentes condiciones climáticas. Se investiga mediante la ingeniería genética el traspaso de los genes de la yuca a una cepa de levadura, con el propósito de obtener una levadura capaz de fermentar el almidón de yuca para obtener alcohol a más bajo costo que el producido mediante la fermentación del azúcar de caña. Lo primero que hicieron los investigadores fue introducir en el conjunto de los genes de la levadura un gen de ratón. ¿Para qué un ratón?, nos preguntamos. El gen introducido en la levadura es el responsable en el metabolismo del ratón de producir la enzima pancreática. Si las células de levadura producen esa misma enzima, esto va a permitir al microorganismo descomponer el almidón para convertirlo en azúcar. Además, para producir una degradación más eficiente del almidón, cruzaron la levadura modificada genéticamente con otras dos, una primero y otra después de manera que se descomponga hasta la última molécula de almidón deyuca (Scott, 1984). Los autores trabajan ahora en la introducción por ingenie108
ría genética de un gen que aumente aún más la producción de alcohol por la levadura tratada y modificada genéticamente. De modo que en unos pocos años será común pedir en una estación de servicio que llenen el tanque deun automóvil con alcohol de yuca. Secuencias de moléculas y computadoras
Actualmente se utilizan equipos para analizar las moléculas de ADN y de proteínas acoplados a sistemas de cómputo. Éstos permiten analizar con gran rapidez las biomoléculas y determinar el ordenamiento o secuencia de sus unidades esenciales: los nucleótidos en el caso del ADN y los aminoácidos en el caso de las proteínas. El desarrollo de la ingeniería genética ha srcinado nuevas posibilidades para la industria de los medicamentos y otros productos, cuyo punto de partida es la utilización de microorganismos modificados genéticamente. La biotecnología es el nombre de esta rama, cuyo inicio data de la época en que el primer hombre fermentó el vino. Ahora enriquecida por las técnicas de la ingeniería genética, la bioquímica y la microbiología. Todo esto ha traído aparejada una verdadera revolución en la industria de producción de compuestos biológicamente activos (Martín, 1980). La ciencia está a punto de penetrar la esencia de la vida. Nos encontramos en la “edad de oro” de la biología.
bibliografía
Aharonowitz, Yair, y Gerald Cohen, “Producción microbiológica de fármacos”, Investigación y Ciencia, núm. 62 (Prensa Científica, Barcelona, 1993), pp. 79-92. 109
Begley, Sharon Carey, “Of Baby Mice and DNA”,Newsweek, núm. 96, 1980, pp. 118-128. Brill, Winston J., “Microbiología agrícola”, Investigación y Ciencia, núm. 62 (Prensa Científica, Barcelona, 1981), pp. 199-215. Golden, F., M. Moritz y G. Scott,“Shaping Life in the Lab”,Time, núm. 117 (10), 1981, pp. 32-39. Lerner, Richard A., “Vacunas sintéticas”,Investigación y Ciencia, núm. 79 (Prensa Científica, Barcelona, 1983), pp. 38-48. Martín, Juan F., “Diseño racional de microorganismos con fines industriales”, Investigación y Ciencia, núm. 41 (Prensa Científica, Barcelona, 1980), pp. 94-106. Novick, Richard P., “Plásmidos”,Investigación y Ciencia, núm. 53 (Prensa Científica, Barcelona, 1981), pp. 46-59. Ondarza, Raúl N., Manuel Robert y Francisco Bolívar (eds.), Transplante y movilización de genes, Conacyt, México, 1981. Sasson, Albert, Las biotecnologías: desafíos y promesas, unesco/Centro de Investigaciones Biológicas, La Habana, 1985. Scott, A., “New Tool for Gene Hunters”,New Scientist, núm. 1420, 1984, p. 21. Schulman, R., et al., “Biotechnology to Destroy Weeds and Bugs”, Newsweek, núm. 7, 1995, p. 3. Smith, Nigel J. H., “New Genes from Wild Potatoes”,New Scientist, núm. 1359, vol. 98 (Estados Unidos, 1983), pp. 558-565.
110
VII. Los microbios y el srcen de la vida
Los microbios fueron los primeros seres vivos que poblaron nuestro planeta hace ya más de 3 500 millones de años. Los restos fósiles de las células que existieron en esa época se conservan en las piedras, del mismo modo que los restos de animales y plantas que habitaron la Tierra millones de años después de las primitivas bacterias. Estos fósiles microscópicos se diferencian de los fósiles de plantas y animales por su tamaño pequeñísimo, por lo cual, para observarlos al microscopio, se requiere preparar cortes muy finos de las rocas que los contienen. Las células más sencillas conocidas son las bacterias. Éstas carecen de un núcleo bien delimitado y de un sistema de membranas internas. Son células del tipo procariota, término que significa “anterior al núcleo”. Se considera que así fueron las primeras células que aparecieron sobre la superficie de la Tierra. El Big Bang
El srcen del universo se remonta a unos 15 000 millones de años. Los hombres de ciencia han dedicado mucho esfuerzo a imaginar, a partir de los datos de la física y el estudio del cos111
mos, cómo ocurrió ese acontecimiento, sin duda el más importante de todos los conocidos. En 1948 un físico ruso llamado George Gamow planteó que el Universo se creó a partir de una explosión gigantesca y los diversos elementos químicos se produjeron durante los primeros minutos después de la gran explosión (Big Bang). Entonces la temperatura era extremadamente alta. Así se srcinaron los diversos elementos químicos que hoy se conocen y agrupan en la tabla periódica. Éstos se produjeron durante los primeros minutos después de la gran explosión. Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio se formaron en esas condiciones, en los minutos siguientes a la gran explosión, y los elementos más pesados se produjeron después, dentro de las estrellas. La materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron para formar estrellas y galaxias. Ésta es, a grandes rasgos, la teoría aceptada actualmente por los científicos acerca del srcen del Universo. Nacen los planetas
El sistema solar se formó a partir de una galaxia en forma de espiral, hace unos 5 000 millones de años. La espiral comenzó a condensar una nube pequeña de materia enriquecida con elementos pesados. El centro de la nube se compactó y se formó lo que se conoce como una estrella amarilla enana: el Sol (Lazcano, 1983). Alrededor del Sol comenzaron a formarse los planetas del sistema solar. Los dos planetas más cercanos al Sol (Mercurio y Venus) poseen temperaturas muy altas, en las cuales no puede existir la vida. La Tierra permanece en una órbita que recibe precisamente la cantidad necesaria de calor para poder alber112
gar la vida; además, es el único planeta del sistema solar que tiene agua en forma líquida. La Tierra actual es muy diferente del planeta que se formó hace más de 4 500 millones de años. En esa época la temperatura era muy alta debido al efecto de distintos agentes que actuaban directamente sobre su superficie. En los primeros 500 millones de años, la Tierra en formación era una bola de fuego. Rocas derretidas y remolinos de metal cubrían su superficie; la atmósfera que la rodeaba estaba ocupada por gases como el amoniaco, sulfuro de hidrógeno y metano en sus estados supercalientes; alucinantes descargas eléctricas se hacían sentir constantemente. Mientras, el Sol enviaba chorros de poderosas radiaciones hacia la Tierra, conocidas como viento solar, las cuales contribuyeron a aumentar el calor en su superficie. En esas condiciones, la Tierra era impactada constantemente por meteoritos pequeños y grandes que esterilizaron la superficie del planeta; el choque de los meteoritos y de grandes trozos de material en proceso de condensación liberaba energía en forma de calor; por otra parte, la descomposición radiactiva de algunos elementos químicos aumentaba también el calor de la superficie terrestre. Como consecuencia de esas circunstancias, el hierro y el níquel fundidos se desplazaron hacia el centro de la Tierra, donde permanecen en estado líquido por el intenso calor, formando el núcleo del planeta. Muy pronto, a través de las grietas en la superficie de la Tierra comenzaron a salir gases de su interior y aparecieron los primeros volcanes; las emanaciones gaseosas contenían sobre todo vapor de agua, nitrógeno y dióxido de carbono. Estos compuestos formaron la superficie del planeta. Su atmósfera continuaba ocupada por gases como el amoniaco, sulfuro de hidrógeno y metano en sus estados supercalientes. Estremecida a cada momento por descargas eléctricas, recibía constantemente chorros de viento solar desde el Sol (Lazcano, 1983). 113
La atmósfera primitiva era muy diferente a la atmósfera actual y muy parecida a la de nuestros vecinos más cercanos, los planetas Marte y Venus. En esa atmósfera primitiva no existía el oxígeno gaseoso que sí está presente en la atmósfera actual de la Tierra. La “sopa primitiva”
El planeta entonces comenzó a enfriarse; el vapor de agua de la atmósfera se precipitó en forma de aguaceros torrenciales; éstos, al caer, disolvieron grandes cantidades de sales minerales presentes en la superficie. El agua se acumuló en las regiones más profundas y así se formaron los océanos, salados por la presencia de las sales minerales. El calor continuaba siendo insoportable, además, constantemente se srcinaban tormentas eléctricas y los volcanes lanzaban lava y piedras en todas direcciones. En esas condiciones especiales ocurrió la síntesis de moléculas orgánicas sencillas en ausencia de seres vivos. Los procesos de síntesis de moléculas pequeñas deben haber srcinado asociaciones moleculares, dando lugar a moléculas orgánicas de mayor complejidad. Esto se conoce comúnmente entre los especialistas como la “sopa primitiva”. Stanley Miller y Harold Urey en 1953 demostraron en el laboratorio cómo se formaron las primeras moléculas orgánicas sin la presencia de los seres vivos, en condiciones similares a las del planeta tempestuoso. Mezclaron agua, amoniaco, hidrógeno y metano en un recipiente y lo sometieron al calor y a las descargas eléctricas. En el frasco aparecieron moléculas orgánicas simples al cabo de algunos días. De esta manera, ellos y otros investigadores que dieron seguimiento a sus trabajos demostraron cómo pudieron formarse las primeras moléculas encondiciones anteriores a la aparición de la vida. Los compuestos así formados reciben el nombre de compuestos abióticos. 114
Una de las moléculas más interesantes, que parecen haberse sintetizado de esta manera, es el ARN. Dicho compuesto tiene importantes propiedades que pueden haber sido la clave del srcen de las primeras células vivas (Stryer, 1995). El ARN es una molécula del tipo de los ácidos nucleicos. Formada por muchas bases nitrogenadas, alineadas en una cadena y enlazadas a unidades de fosfato y azúcar. Todo esto forma un esqueleto repetido. El ARN es único entre las macromoléculas biológicas. Puede agrupar información genética ordenada y posee también actividad como catalizador, por lo que hoy se supone que ésta fue su función inicial en las asociaciones de moléculas orgánicas. Supuestamente, el ARN con su acción catalítica contribuyó a que moléculas más pequeñas se asociaran y dieran lugar a otras mayores y más complejas (Stryer, 1995). Por otra parte, el ADN debe haberse sintetizado también durante las etapas iniciales de la aparición de la vida sobre la Tierra dando lugar al material hereditario de la mayoría de las células vivas actuales. Las células primitivas
Los hombres de ciencia han acumulado evidencias bien fundamentadas que sostienen la hipótesis de que la vida existió desde hace 3 800 millones de años. En las aguas de los mares primitivos, en regiones cercanas a las orillas, posiblemente en lugares con abundancia de arcillas, se fueron asociando las moléculas orgánicas y se srcinaron sistemas complejos, formados por moléculas de diferentes tipos conocidos como sistemas polimoleculares. Uno de los más importantes episodios en la aparición de la vida en la Tierra comprende la formación de una membrana capaz de seleccionar las sustancias que pasan al interior de la célula y dejar pasar hacia fuera otras provenientes del interior. 115
Esa membrana selectiva encierra una disolución cuya composición química es diferente a la del medio que la rodea. De esta manera, se favorece la existencia de un medio celular interno estable, y al mismo tiempo se produce el intercambio de nutrientes y desechos con el medio exterior. El proceso, dirigido por las leyes de la química y de la física, requiere solamente la presencia de algunos de los compuestos abióticos existentes en la “sopa primitiva”. Según la opinión de los investigadores dedicados al estudio del srcen de la vida, seguidores de las ideas del ruso Alexander Oparin, los sistemas polimoleculares rodeados por una membrana selectiva evolucionaron y dieron lugar a las primeras células vivas. Sin embargo, todavía no se conoce cómo tuvo lugar esa evolución. No se sabe cuáles fueron las características de esas primeras células, pero se supone que eran del tipo procariota, similares a las bacterias que existen en la actualidad. Esos organismos primitivos aún existen en nuestro planeta, forman un dominio en la clasificación actual y se conocen como arqueas. Nadie ha encontrado evidencia fósil de esas primeras células, como es de suponer,y posiblemente por esta vía nunca pueda comprobarse esa suposición, por demás muy lógica. Sin embargo, los estudios moleculares de las células bacterianas ofrecen datos de interés que confirman la existencia de un tipo primitivo de célula. Muy despacio cambiaron las condiciones del planeta tempestuoso; comenzaron a prosperar las células primitivas en un ambiente favorable, rico en moléculas orgánicas que les servían de nutrimentos. El medio circundante debe haber sido muy rico en moléculas orgánicas porque las condiciones ambientales favorecían mucho su formación, como ya se ha visto. Para las células primitivas, nutrirse era literalmente como recibir “maná del cielo”. Así las cosas, la Tierra era un verdadero paraíso para las 116
bacterias. Bastaba que las células libres y flotando en el agua tomaran del medio las moléculas necesarias, similares a las que integraban su cuerpo, y las utilizaran en su metabolismo. Este tipo de nutrición recibe el nombre de nutrición heterótrofa. Sin embargo, al multiplicarse las células una y otra vez durante miles y millones de años, los compuestos orgánicos usados como alimento, comenzaron a escasear. Se les iba haciendo más difícil la vida a las bacterias, pues ya no era tan fácil obtener su alimento del medio en que vivían. Había que producir para vivir. Ese cambio en las condiciones de vida favoreció la multiplicación de las bacterias capaces de realizar procesos vitales algo más complicados, mediante los cuales era posible obtener la energía y los compuestos químicos necesarios para subsistir. Evolucionaron entonces las bacterias y se srcinaron mecanismos para realizar la fermentación. Este proceso tiene lugar en condiciones anaerobias. Recordemos que Pasteur ofreció una primera definición de la fermentación a la que llamó: “la vida sin aire”. Con esto quería referirse a un proceso que ocurre sin la presencia de oxígeno gaseoso. La fermentación es una forma poco eficiente de metabolismo debido a que no se aprovecha toda la energía que está presente en las moléculas. La célula obtiene menos energía mediante la fermentación que mediante otros tipos de metabolismo energético. Los cambios del medio hicieron evolucionar aún más las formas primitivas de vida. De las formas de nutrición heterótrofa se pasó paulatinamente a las formas de nutrición autótrofa. Las bacterias sufrieron cambios y se fueron modificando poco a poco; apareció así la fotosíntesis primitiva. Este tipo de nutrición autótrofa consiste en sintetizar compuestos orgáni117
cos como la glucosa, a partir de compuestos inorgánicos, utilizando la energía que proporciona el Sol. De esta manera, las bacterias fueron capaces de captar la energía de la luz solar mediante un pigmento llamado clorofila, y sintetizar las moléculas necesarias para la vida, a través de un proceso nuevo para ellas: la fotosíntesis (Margulis, 1982). La evolución de la fotosíntesis se ha podido reconstruir al estudiar las bacterias actuales que viven en condiciones semejantes a las del mundo primitivo. En los pantanos carentes de oxígeno y en las salinas existen bacterias sobrevivientes, las más ampliamente distribuidas en el planeta en las primeras etapas de la aparición de la vida. Se han encontrado microfósiles de organismos bien conservados que datan de unos 3 500 millones de años. Esos fósiles forman verdaderos “edificios” de roca sedimentaria conocidos como estromatolitos, y se han localizado en América del Norte, África y Australia principalmente. Los estromatolitos son elevaciones integradas por láminas de roca que contienen grandes cantidades de fósiles muy primitivos. Son los restos más antiguos de la existencia de vida en el planeta porque datan de la era Precámbrica, unos 3 500 millones de años antes de nuestros días. Si se hacen cortes finísimos de esas rocas, pueden verse estructuras celulares muy semejantes a las actuales cianobacterias (Margulis, 1982). Debe destacarse un aspecto bioquímico de la evolución para reconstruir los acontecimientos relacionados con la evolución; los biólogos no dependen solamente de los datos geológicos fósiles. La propia célula encierra claves de su pasado en las moléculas que la componen. Este dato vivo es potencialmente mucho más rico y amplio que el registro fósil, y se remonta en el tiempo mucho más atrás que los restos fósiles más antiguos encontrados; puede alcanzar el periodo en que existió el antepasado común a toda la vida, la inalcanzable célula primigenia. 118
Bacterias formadoras de depósitos minerales
En el mundo primitivo, junto a las bacterias fotosintetizadoras, vivían además otras bacterias capaces de obtener materia y energía utilizando y transformando compuestos minerales inorgánicos. Ellas dieron srcen a los grandes depósitos y vetas de minerales de hierro, cobre, azufre y otros elementos. Todos los metales de que dispone la humanidad fueron depositados por la actividad biológica de las bacterias. Si no fuera por las bacterias la humanidad no dispondría de minas de hierro, cobre, oro y otros minerales igualmente importantes para la civilización. Sin el “trabajo” de las antiguas bacterias no existirían, por ejemplo, los automóviles (Margulis, 1982). Las células que poblaban el mundo eran muy parecidas en su organización, no poseían núcleo y estaban rodeadas por una membrana que les permitía el intercambio con el medio externo. Se diferenciaban ya entonces dos tipos de nutrición: la heterótrofa, consistente en tomar las moléculas orgánicas del medio y obtener materia y energía a partir de ellas, y la nutrición autótrofa, propia de las bacterias que se ganaban el sustento mediante la fotosíntesis (fotosintetizadoras) y de las transformadoras de compuestos inorgánicos (quimiosintetizadoras). El cambio en la atmósfera
Todas las células del planeta primitivo podían vivir en un medio sin oxígeno gaseoso; eran por tanto anaerobias. Cabe entonces la pregunta: ¿de dónde salió la atmósfera rica en oxígeno que nos rodea y en la cual respiramos libremente? La fotosíntesis primitiva se fue haciendo más compleja y se transformó en un proceso más elaborado. Al escasear los compuestos que las bacterias utilizaban y descomponían por medio de la fotosíntesis, se desarrollaron nuevos mecanismos median119
te los cuales era posible utilizar el agua, la molécula más abundante en la naturaleza. La fotosíntesis actual es el resultado de la evolución de los mecanismos de la fotosíntesis primitiva. Para que pueda ocurrir, se necesita la presencia de la clorofila, pigmento verde presente en las plantas y en las bacterias cianofíceas. La célula desarrolla un conjunto de procesos fotosintéticos utilizando la energía p roveniente del Sol, y sintetiza moléculas de glucosa y ATP, ricas en energía. Como producto final libera oxígeno gaseoso. Para la fotosíntesis se requiere la presencia de bióxido de carbono y agua, además de la luz solar y la clorofila. Como resultado de esta fotosíntesis más evolucionada, se comenzó a liberar oxígeno gaseoso y se acumuló lentamente en la superficie de la Tierra. La lentitud para acumularse el oxígeno gaseoso se debió a que los volcanes emitían gases y éstos eran ricos en compuestos capaces de reaccionar con el oxígeno liberado por la fotosíntesis. Estaban ávidos de oxígeno. Por eso consumían una parte del gas. Al desaparecer la actividad volcánica intensa, se favoreció la acumulación de oxígeno en la atmósfera terrestre y se formó la atmósfera que hoy posee la Tierra. Al acumularse el oxígeno, muchas de las células primitivas anaerobias murieron a causa de la presencia de este gas en el ambiente. Esas bacterias anaerobias no toleraban siquiera la presencia de cantidades pequeñísimas de oxígeno en la atmósfera y quedaron limitadas a hábitats anaerobios. Pero la vida es siempre más fuerte que los cambios desfavorables de la naturaleza y del medio ambiente. Cuando el oxígeno pasó a formar parte de la atmósfera, algunas células evolucionaron; así pudieron sobrevivir a los cambios ambientales. De esta manera, se multiplicaron ventajosamente los organismos aerobios, es decir,capaces de vivir en un ambiente con oxígeno gaseoso en abundancia. Los anaerobios quedaron aisla120
dos en regiones sin oxígeno como los lodos, los pantanos y las aberturas de la corteza terrestre del fondo de los mares, conocidas como fumarolas. Es ahí donde habitan las arqueas en la actualidad (Woese, 1981). Al transcurrir miles de millones de años, la atmósfera se transformó al enriquecerse en oxígeno hasta las condiciones actuales en que posee alrededor de 21% de oxígeno gaseoso. Comenzaron entonces las bacterias a obtener energía mediante un nuevo mecanismo, más efectivo: la respiración aerobia. La respiración aerobia ocurre en presencia de oxígeno gaseoso y produce mayor cantidad de energía que la fermentación. De esta manera, las células son capaces de crecer más y de realizar nuevas funciones. Por eso, con la respiración aerobia comenzaron a evolucionar nuevas formas de vida, más complejas y diversas, a lo largo de miles y millones de años. La transformación de la atmósfera creó las condiciones para que las bacterias, pobladoras iniciales del planeta, se transformaran a su vez y se diferenciaran entre sí. Intercambio genético en las bacterias
Los orígenes del intercambio genético se remontan a miles de millones de años atrás cuando las bacterias vivían flotando libremente en las aguas del océano primitivo (Margulis, 1982). Obsérvese que no se trata de sexo tal como se conoce en los animales y las plantas. El intercambio “sexual” en las bacterias está limitado al paso de genes de una célula a otra. No existen gametos como los óvulos y los espermatozoides, se trata de células que comparten sus genes mediante mecanismos más sencillos. ¿Cuáles son las ventajas de ese intercambio genético para la supervivencia? En primer lugar, el paso de genes de una célula a otra permitió que las células bacterianas, ya abundantes, po121
seyeran mezclas de caracteres hereditarios provenientes de otras células similares, pero no iguales genéticamente. El ambiente sometido a cambios, hizo el resto. De esta manera se seleccionaron las bacterias poseedoras de combinaciones de genes con más ventajas para sobrevivir. A partir del intercambio genético y la selección natural, el proceso de evolución hizo aparecer en los siguientes miles de millones de años nuevas y variadas formas de vida y aumentó la diversidad de organismos que pueblan nuestro hermoso planeta. Es por eso que la Tierra es tan diferente a Marte y Venus, sus vecinos más cercanos, planetas sin formas de vida aparente como lo han demostrado las sondas espaciales enviadas a explorarlos. La vida cambió la faz de la Tierra, modificó el planeta y su atmósfera y creó el cielo azul que nos rodea. Unos cambios provocaron otros
Durante los cientos de miles de millones de años posteriores a la aparición de las primeras células se sucedieron los cambios naturales en las condiciones del ambiente que transformaron al planeta Tierra en lo que hoy conocemos: un lugar con multitud de formas de vida, donde el hombre cree ser el amo y señor de la naturaleza, y donde pugnan por sobrevivir las especies sometidas a nuevos cambios, esta vez causados por la civilización y la explotación irracional de los recursos naturales. La diversidad de los seres vivos
Como resultado de los cambios en la naturaleza existe una gran diversidad de seres vivos diseminados por todas las regiones del planeta, y capaces de vivir en las más variadas condiciones. 122
La diversidad de seres vivos ha hecho necesario clasificarlos. Las clasificaciones son ordenamientos de fenómenos o hechos. Para clasificar los seres vivos es necesario seleccionar un criterio de partida fundamentado en el orden natural. Por eso se toma en cuenta la morfología, la fisiología, la genética y la evolución; de esta manera la clasificación hecha por los hombres de ciencia se acerca a las relaciones de los organismos en la naturaleza. Para comprender mejor las propiedades de los seres vivos se ha hecho necesario clasificarlos en seis categorías principales llamadas reinos. Los organismos correspondientes a cada uno de estos reinos tienen características comunes. Éstas permiten ubicar a un ejemplar bajo estudio junto a sus semejantes. Los seis reinos
De acuerdo con las características de las células y el modo de obtener sus alimentos, se aceptan hoy seis reinos de seres vivos: • Bacteria • Arquea • Protista • Fungi • Plantae • Animalia Nos detendremos en los dos primeros reinos por la importancia de su relación con los primeros habitantes del planeta. Tanto las bacterias como las arqueas comprenden las células sin núcleo verdadero y carentes de sistemas de membranas internas. Comúnmente todas se conocen como bacterias. Fueron las primeras en aparecer sobre la Tierra y presentan distintos tipos de nutrición. 123
Se pueden diferenciar las bacterias porque están ampliamente distribuidas por la superficie terrestre, en las aguas, el suelo, los animales, las plantas y nuestro propio cuerpo, como es el caso de la Escherichia coli. Las bacterias obtienen materia y energía a partir de moléculas orgánicas, tanto en condiciones anaerobias (fermentación), como en condiciones aerobias (respiración); pueden obtener sus recursos a partir de la energía de la luz solar (fotosintéticas) y también descomponer compuestos inorgánicos (quimiosintéticas). Todas las bacterias poseen características en sus moléculas que permiten incluirlas en un mismo reino. Son los organismos más abundantes en número y en distribución en la naturaleza. Las arqueas son muy antiguas. Son organismos inusitados porque poseen un metabolismo particularmente adecuado a las condiciones que parecen haber prevalecido en la Tierra primitiva; no toleran la presencia de oxígeno gaseoso. Habitan en lugares inhóspitos; un tipo de células procariotas puede encontrarse en los pantanos, donde produce el llamado gas de los pantanos: el metano. Se encuentran también estos organismos en aguas estancadas y en plantas de tratamiento de aguas residuales de cloacas. Existen en la panza del ganado y de otros rumiantes. Pueden aislarse del fondo del océano en las fumarolas y de las aguas termales. Otro tipo de arqueas necesita para vivir la presencia de concentraciones elevadas de sal. Crecen fácilmente en salmuera saturada. Pueden dar coloración roja a los estanques de evaporación donde se obtiene sal y decoloran y alteran el pescado salado. Pueden crecer en hábitats salinos a lo largo de las orillas de los océanos y en ciertas aguas continentales como el Gran Lago Salado y el Mar Muerto, donde constituyen uno de los escasos tipos de seres vivos reportados. El tercer tipo de arqueas se encuentra en los manantiales de aguas sulfurosas termales, por lo general muy ácidas. Crecen a 124
temperaturas cercanas a los 80°C y hay variedades que pueden crecer hasta los 90°C. Todas las arqueas tienen características moleculares que las diferencian de las bacterias. Por todas esas razones se agrupan en un dominio / reino distinto.
bibliografía
Lazcano, Antonio, El srcen de la vida , Trillas, México, 1983. Margulis, Lynn, Early Life, Science Books International, Boston, 1982. Oparin, Aleksandre I., “Sobre el srcen de las primeras formas de vida”, en Symposium sobre el srcen de la vida (unam, México, 1983). Stryer, Lubert, Bioquímica, Reverté, Barcelona, 1995. Woese, Carl R., “Archibacterias”,Investigación y Ciencia, núm. 59 (Prensa Científica, Barcelona, 1981), pp. 48-61.
125
EPÍLOGO: ¿SON AMIGOS O ENEMIGOS?
El comienzo del siglo xx trajo consigo el desarrollo de la microbiología y de la genética. El siglo xxi está marcado por los avances en el campo de la biotecnología, cuya contribución permitirá al hombre continuar modificando la naturaleza. Los organismos microscópicos han dejado de ser para la humanidad seres un tanto misteriosos, capaces solamente de hacer daño y provocar enfermedades, para convertirse en instrumentos de la investigación y fuente de desarrollo de vacunas y otros productos biológicos. De modo que si se quiere hacer justicia a los microbios, no se puede pensar en ellos como un azote de la naturaleza sino como una parte de ella; fueron los primeros organismos que existieron en la historia de la Tierra y con su actividad contribuyeron a hacer de nuestro planeta un sitio habitable; seres vivos que conocemos cada día mejor; invisibles pero importantes, útiles y extraordinariamente interesantes.
127
GLOSARIO
abiótico: “sin vida”. Son elementos abióticos del ambiente la energía
solar, el suelo, el agua y el aire. ácido desoxirribonucleico (ADN): molécula compuesta de nucleótidos
de desoxirribosa; contiene la información genética de la célula. ácido ribonucleico (ARN): molécula compuesta de nucleótidos de ribosa; transfiere las instrucciones hereditarias del núcleo al citoplasma. Es el material genético de algunos virus. ácidos nucleicos: moléculas largas, lineales, que contienen fósforo, carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Existen dos clases principales de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). aerobio: que vive o es activo solamente en presencia de oxígeno gaseoso (O2). alelo: una de varias formas alternativas de cada gen. algas: nombre genérico de las plantas acuáticas simples que carecen de tejido vascular. aminoácido: subunidad individual de la cual se forman las proteínas; compuesta de un átomo central de carbono al cual se enlaza un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrógeno y un grupo variable de átomos denotado por la letra R. anaerobio: que vive o es activo solamente en ausencia de oxígeno gaseoso (O2). 129
angstrom (Å): unidad de longitud conveniente para describir las di-
mensiones atómicas. Equivale a dividir un metro en diez mil millones de partes iguales. Los virus se miden en angstroms. Para verlos se necesita un microscopio electrónico. anticuerpo: proteína producida por células del sistema inmune que se combina con un antígeno específico y generalmente facilita su destrucción. antígeno: molécula compleja, por lo general una proteína o un polisacárido que estimula la producción de un anticuerpo específico. antisepsia: consiste en la destrucción de todos los gérmenes infecciosos en el medio. arqueas: grupo de procariotes anaerobios primitivos. Muchos obtienen su energía a partir de las reacciones químicas. asepsia: conjunto de técnicas destinadas a impedir la presencia de to-
das las bacterias no deseables en el campo de trabajo. autótrofo: organismo capaz de sintetizar alimento usando la energía de la luz solar o la energía almacenada en compuestos químicos; las plantas son los autótrofos más comunes; también llamados productores. bacterias: grupo de procariotas con una amplia variedad y tipos de metabolismo. bacteriófagos: virus parásitos de bacterias. También conocidos como fagos. biomoléculas: moléculas orgánicas típicas presentes en los seres
vivos. biotecnología: conjunto de técnicas que hacen uso de los seres vivos o
de sustancias que ellos producen para fabricar o modificar un producto. Comprende técnicas utilizadas para el mejoramiento de características de plantas y animales de importancia económica, y para el desarrollo de microorganismos que actúan sobre el medio ambiente. biótico: perteneciente o relativo a la vida. Por extensión, lo propio de la biología. 130
célula: la más pequeña unidad de materia viva capaz de funcionar
con independencia. Está formada por lo menos por una membrana exterior que rodea a un medio acuoso, el cual contiene moléculas orgánicas, incluido el material genético o ADN. célula eucariota: células del tipo evolutivo más complejo. Poseen un núcleo diferenciado rodeado por una membrana nuclear y su material genético organizado en varios cromosomas lineales. Presentan un sistema de membranas internas y organelos que llevan a cabo las diferentes funciones. Ejemplo: Células de protistas, animales, plantas y hongos. célula primitiva: diminutas células bacterianas (procariotas) formadas por un saco membranoso con agua, ADN, proteínas enzimáticas solubles y ribosomas. célula procariota: es el tipo más sencillo y primitivo de célula. No posee núcleo diferenciado, aunque sí material hereditario (ADN). No posee sistema de membranas internas. Ejemplo: células de bacterias y arqueas. centríolos: organelos de la célula eucariota relacionados con la división celular y con la presencia de flagelos y otros apéndices que intervienen en el desplazamiento de la célula. citoplasma: porción fluida de la célula, rodeada por la membrana plasmática; en su interior contiene el material hereditario y los organelos. clon: un grupo de células idénticas genéticamente; también un grupo de organismos idénticos genéticamente, derivados de un antecesor común. clorofila: pigmento verde que atrapa la energía solar y da a las plantas y algunos protistas su color verde, se encuentra incrustado en la membrana interna de los cloroplastos. cloroplastos: organelos que contienen clorofila; se encuentran en las plantas verdes y en algunos protistas; es el sitio de la célula eucariota donde la energía solar se transforma en energía química, la cual se almacena en las moléculas de alimento. código genético: conjunto de tripletes de bases en el RNA mensajero, 131
que dirigen la incorporación de los aminoácidos a la cadena de proteínas en crecimiento durante la síntesis de proteínas. complejo de Golgi: conjunto de sacos membranosos presentes en las células eucariotas. Son el sitio de procesamiento y separación de los componentes de la membrana y los materiales secretores. colonia: grupo de organismos unicelulares o multicelulares que cre-
cen juntos en un medio sólido en asociación estrecha. cromosomas: estructura celular que contiene el material genético. Estas estructuras acumulan y transmiten la información hereditaria. Contienen los genes y están compuestos fundamentalmente por ADN. Cada especie posee un número de cromosomas característico. cultivo de células: crecimiento in vitro de células aisladas a partir de organismos multicelulares. Éstas son por lo general células del mismo tipo.
división celular: en los eucariotas, el proceso de reproducción de cé-
lulas únicas, por lo general en dos células hijas idénticas, por mitosis acompañada de citocinesis. dominante: característica observable de un organismo, correspondiente a un alelo, que enmascara la forma recesiva de ese mismo alelo. energía: capacidad de realizar trabajo. Impulsa los procesos vitales. enzima: moléculas de proteína que tienen la capacidad de catalizar reacciones biológicas específicas in vivo o in vitro. enzima de restricción: proteínas bacterianas que rompen el ADN en puntos específicos en la secuencia de nucleótidos. Son las llamadas “tijeras moleculares” de los ingenieros genéticos. evolución: proceso mediante el cual la acumulación de pequeños cambios genéticos ha modificado y diversificado a los seres vivos a través de miles de millones de años. fagocitos: células especializadas que defienden a organismos multicelulares de la invasión por bacterias y otros gérmenes. En humanos están distribuidos por todo el cuerpo. En el sistema linfático se llaman macrófagos y en la sangre, leucocitos. fagocitosis: proceso de ingestión de materia extraña por los fagocitos. 132
fenotipo: apariencia de un individuo y su comportamiento. El feno-
tipo es la expresión del genotipo en interacción con el ambiente. fermentación: la fermentación consiste en descomponer las moléculas orgánicas (típicamente los azúcares) en otras más pequeñas y con menos energía. La energía que se libera de estas reacciones se utiliza para generar moléculas de ATP. Conocemos muchos ejemplos actuales de fermentación, como la alcohólica, llevada a cabo por las levaduras, que da lugar al vino y a la cerveza; la fermentación ácido láctica que ocurre en algunas bacterias (obtención de yogurt), y la fermentación acética (producción de vinagre), también en bacterias. fertilización: fusión de los gametos haploides femenino y masculino para formar un huevo o cigoto. fijación del nitrógeno: la conversión del nitrógeno atmosférico gaseoso a una forma química combinada, el amoniaco. Sólo un número limitado de microorganismos puede fijar el nitrógeno. flagelos: estructuras largas, filamentosas, compuestas de microtúbulos. Se proyectan desde la membrana plasmática e impulsan las células y los organismos por medio de movimientos semejantes a latigazos. fósil: restos de organismos que vivieron en épocas muy antiguas; generalmente presentes en rocas sedimentarias; comprenden huesos o madera petrificados, conchas, impresiones de formas corporales como plumas, piel u hojas y las marcas hechas por organismos, como huellas de pisadas. También existen rocas con fósiles microscópicos de bacterias. Los científicos estudian los fósiles en busca de claves de la evolución. fotosíntesis: proceso por el cual los autótrofos producen moléculas orgánicas, por lo común carbohidratos, a partir de moléculas inorgánicas (agua y dióxido de carbono), usando la energía del Sol, que es absorbida por la clorofila; el oxígeno es uno de los productos finales. fotosíntesis primitiva: proceso por el cual las bacterias poseedoras de bacterioclorofila en las condiciones anaerobias de la Tierra pri133
mitiva, produjeron azúcares simples sin liberación de oxígeno gaseoso como producto final. gametos: células sexuales haploides masculinas y femeninas formadas en los organismos con reproducción sexual. gen: un segmento de ADN capaz de dirigir la síntesis de proteínas; representa la unidad básica de la herencia; los genes se localizan en los cromosomas, aunque existen genes en los plásmidos de las bacterias. generación espontánea: idea de que los organismos vivos pueden surgir a partir de la materia inerte. genética: rama de la biología que estudia la herencia. genoma: conjunto de los genes de una célula. genoma humano: aproximadamente 30 000 genes localizados en los 46 cromosomas humanos. El mapa genético de los humanos está descrito desde el año 2000. Se investigan las funciones de cada gen.
genotipo: constitución genética de un organismo determinado. glucógeno: polímero de glucosa largo y ramificado que almacenan los
animales en los músculos y el hígado; se metaboliza como fuente de energía. glucólisis: secuencia de reacciones catalizadas por enzimas que descompone la glucosa en la célula; se forman dos moléculas de ácido pirúvico y dos moléculas de ATP; también se producen iones y electrones. La glucólisis no requiere de O2 pero puede continuar en su presencia. glucosa: el monosacárido más común; su fórmula molecular es C6H12O6. La mayor parte de los polisacáridos, incluyendo a la celulosa, el almidón y el glucógeno, están formados por subunidades de glucosa unidos por enlaces covalentes. hemoglobina: proteína que contiene hierro e imparte su color a los glóbulos rojos. Transporta oxígeno a los pulmones y recoge en éstos el dióxido de carbono. heterótrofos: grupo de organismos incapaces de producir su propio alimento. Ellos se alimentan de otros. También llamados organismos consumidores. 134
híbrido: organismo descendiente de padres que difieren por lo me-
nos en una característica determinada genéticamente. hipótesis: explicación comprobable de una pregunta o un problema; una hipótesis puede formarse por la lectura extensa, la observación, el razonamiento y el conocimiento de experimentos anteriores.
homocigoto: que tiene alelos idénticos para una característica genéti-
ca particular. ingeniería genética: conjunto de técnicas que utilizan enzimas de res-
tricción para romper el ADN de un organismo en fragmentos más pequeños, con el fin de mover genes de un organismo a otro de la misma especie o de especies diferentes; se han producido plantas, bacterias y animales transgénicos. inmunología: estudio de la inmunidad biológica y sus aplicaciones. in vitro: literalmente “en vidrio”. Relativo a una reacción biológica
que tiene lugar en un aparato artificial; a veces utilizado para denominar el crecimiento de células a partir de organismos multicelulares bajo condiciones de cultivo en el laboratorio. in vivo: literalmente “en vivo”. Relativo a experimentos efectuados en un sistema tal que el organismo permanece a nivel celular (en el caso de las bacterias u otros organismos unicelulares) o a nivel de todo el organismo (en el caso de los animales). ley de la distribución independiente: principio mendeliano que explica qué características diferentes se heredan de forma independiente si se encuentran localizadas en cromosomas distintos. ley de la segregación: principio mendeliano que explica la desaparición de una característica específica en la generación F1 y su reaparición en la generación F2. lípidos: compuestos orgánicos llamados comúnmente grasas y aceites; los lípidos son insolubles en agua y constituyen el principal componente de las membranas que rodean la célula viva. lisis celular: ruptura y destrucción de la célula. lisosoma: grupo de organelos rodeados por membranas, que existen en el citoplasma de la célula eucariota. Su función principal con135
siste en la digestión. Contienen enzimas que digieren las partículas de alimentos, virus, bacterias y partes inservibles de células. medio de cultivo: cualquier medio nutritivo para el cultivo artificial de bacterias o de otras células; por lo general, una mezcla compleja de materiales de srcen orgánico e inorgánico. membrana celular: cubierta muy delgada, visible al microscopio elec-
trónico, que existe en todas las células y tiene la función de regular el intercambio entre la célula y el ambiente. membrana nuclear: cubierta muy delgada que rodea al núcleo de la célula y es una continuación del complejo sistema de membranas internas de la célula eucariota. Su función consiste en regular el intercambio entre el núcleo y el citoplasma. metabolismo: todo el conjunto de procesos biológ icos, físicos y químicos que ocurren dentro de una célula o dentro de un organismo.
métodos científicos: procedimientos comunes usados por los biólogos
y otros científicos para recoger la información utilizada en la resolución de problemas y en la experimentación. micrómetro o micra (µ): unidad de longitud apropiada para describir las dimensiones celulares; equivale a dividir un metro en un millón de partes iguales. Las células se miden en micras y para verlas se utiliza el microscopio óptico. microscopio compuesto: también conocido como microscopio de luz; es un instrumento que permite observar las células vivas o muertas, haciendo pasar la luz visible a través del objeto, y luego a través de dos o más lentes de aumento; puede agrandar hasta 1500X. microscopio electrónico: instrumento que permite amplificar, ver y fotografiar organismos o células muertos usando un haz de electrones en vez de luz; su poder de resolución puede ser 1000 veces mayor que el del microscopio óptico. mitocondrias: organelos granulares o filamentosos rodeados de membrana, que existen en el citoplasma de la célula eucariota. Se observan al microscopio óptico. Su función consiste en suministrar 136
a la célula la energía necesaria para que lleve a cabo sus diferentes funciones. En ellas se descomponen las moléculas de alimento para producir moléculas de ATP. Son las plantas energéticas de la célula. molécula: un grupo de átomos unidos por fuerzas químicas; la más pequeña unidad de materia que puede existir por sí misma y retener su identidad química. monosacárido: azúcar simple como la glucosa o la fructosa. multicelular: organismos compuestos por muchas células especializadas para desarrollar funciones específicas del metabolismo. mutación: cambio en la secuencia de bases del ADN de un gen. Generalmente se refiere al cambio genético que es lo bastante significativo para modificar el aspecto o la función de un organismo. mutación espontánea: mutación que no obedece a una causa conocida. mutágeno: agentes físicos y químicos, tales como la radiación, el ca-
lor, el óxido nitroso y otros, que elevan la frecuencia de aparición de mutaciones. núcleo: un cuerpo esférico relativament e grande presente en el interior de la célula eucariota y que contiene los cromosomas. El núcleo se tiñe con facilidad y puede observarse al microscopio óptico. nucléolo: región del núcleo celular, por lo general esférico, que contiene RNA asociado a proteínas. Se observa al microscopio óptico y representa una verdadera fábrica de ribosomas. nucleótidos: subunidades de ácido nucleico formadas por un azúcar simple, una base nitrogenada y un grupo fosfato. pared celular: cubierta gruesa, visible al microscopio óptico, que rodea la membrana celular. No está presente en las células animales y está presente en células vegetales, bacterias y hongos. pasteurización: procedimiento diseñado por Luis Pasteur mediante el cual se someten los alimentos a temperaturas entre 50 y 60°C durante 30 minutos y se enfrían rápidamente. patógeno o virulento: un agente productor de enfermedad, usualmente restringido a un agente vivo como una bacteria o un virus. 137
placa de Petri: recipiente de vidrio transparente, en forma de caja,
que se utiliza para realizar la siembra de microorganismos en medio sólido. placas: áreas claras, redondeadas, producidas en una superficie de células debido a la lisis de grupos de células adyacentes. Fenómeno causado por varios ciclos de multiplicación de virus que atacan a las bacterias, los animales o los vegetales. plásmido: trozo pequeño y circular de ADN que se encuentra en el citoplasma de muchas bacterias, generalmente no porta los genes que se requieren para el funcionamiento normal de la bacteria, pero puede llevar otros que ayudan a su sobrevivencia en ciertos ambientes, como puede ser la resistencia a antibióticos. En ingeniería genética se utilizan plásmidos como “vectores” para transferir genes de una célula a otra. prión: partícula de naturaleza proteica responsable de las encefalopa-
tías espongiformes en humanos y en otros animales. procariota: célula que crece de un núcleo verdadero o de organelos internos rodeados de membrana. proteína: polímero complejo esencial para la vida, compuesto de aminoácidos hechos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y, algunas veces, de azufre. protista: organismo eucariota que carece de sistemas de órganos complejos y habita en lugares húmedos. Ejemplos: protozoarios, mohos mucilaginosos y algas marinas. quimiosíntesis: proceso de obtención de energía y producción de alimento a partir de compuestos inorgánicos. Utilizado por algunos organismos como las bacterias productoras de metano. recombinación genética: aparición en la descendencia de rasgos que no se encontraban reunidos en los padres. Se generan nuevas combinaciones de alelos en cromosomas homólogos debido al intercambio de ADN durante el entrecruzamiento. reproducción asexual: cualquier proceso reproductivo que no involucra la fusión de gametos. Ejemplos: fisión binaria en las bacterias y gemación en las levaduras. 138
reproducción sexual: patrón reproductivo en el cual los gametos ha-
ploides se funden para formar el cigoto diploide, el cual a su vez da lugar a un organismo nuevo. respiración: proceso en el cual las células descomponen moléculas de alimento para liberar energía; la respiración celular puede ser tanto aeróbica como anaeróbica.
retículo endoplásmico: sistema complejo de membranas plegadas pre-
sente en el citoplasma de la célula eucariota. Puede ser rugoso (con ribosomas) o liso (sin ribosomas). ribosomas: pequeñas partículas presentes en todas las células, formadas por RNA y proteínas. En ellas tiene lugar la síntesis de proteínas. sistema: grupo de órganos que trabajan juntos para llevar a cabo una función vital importante. Ejemplos: sistema vascular de las plantas, sistema circulatorio de los vertebrados.
sistemas polimoleculares: la teoría acerca del srcen de la vida plantea
que la asociación de moléculas orgánicas pequeñas dio lugar a moléculas orgánicas mayores y más complejas. Ese ensamblaje tuvo lugar en la superficie de las arcillas o en otros cristales. Las superficies organizadas atraen pequeñas moléculas y las mantienen en una disposición que promueve la formación de pequeños polímeros —cadenas cortas de aminoácidos o de nucleótidos— de manera espontánea. Estos sistemas polimoleculares fueron la base para otras asociaciones de mayor complejidad, anteriores a la aparición de las primeras células. teoría del Big Bang: teoría, generalmente aceptada, que sitúa el srcen del universo después de una gran explosión. vacuola: espacio delimitado por membranas y lleno de líquido dentro del citoplasma; almacena temporalmente alimento, enzimas o desechos. vector: puede ser biológico o mecánico; los virus y los plásmidos son vectores biológicos en los que los fragmentos de ADN se han recombinado antes de ser introducidos en la célula hospedera. viento solar: un continuo flujo de protones, electrones e iones que 139
abandona el Sol y se mueve por el Sistema Solar formando espirales con la rotación del Sol. Este viento solar configura las colas de ion de los cometas y deja sus rastros en el suelo lunar; la nave espacial Apolo, en su misión a la superficie de la Luna, trajo muestras de estos rastros a la Tierra. virus: gérmenes pequeñísimos compuestos por material hereditario
rodeado de una envoltura proteica. Los virus son parásitos intracelulares obligados. Causan enfermedades y parasitan a los animales, las plantas y las bacterias.
140
Aun en los rincones más apartados e inhóspitosdel planeta hay microbios. Ellos —acaso los más dignos representantes de la vida en la Tierra— pueden habitar lugares adonde no llega la luz del Sol ni existe oxígeno gaseoso, y se pueden nutrir tanto de materia orgánica como inorgánica. Esa vida, invisible a nuestros ojos, fue durante mucho tiempo objeto de las más fantásticas especulaciones, y aun cuando se vislumbraba su existencia sólo el microscopio permitió
mostrar la diversidad de esos seres diminutos. Dora E. Jorge explica con detenimiento la doble naturaleza que los microbios tienen para el hombre: si bien son los agentes de muchas de nuestras enfermedades, también han permitido desarrollar nuevas biotecnologías en áreas tan aparentemente disímiles como la genética o la nanociencia.
Dora E. Jorge es doctora en ciencias biológicas por la Universidad de La Habana;
ha realizado investigaciones sobre la producción de enzimas por bacterias y sobre la genética del maíz, del sorgo y de la mosca de la fruta. Colaboró como profesora y asesora de la Universidad Autónoma de Nuevo León y actualmente es miembro de la Unión de Escritores y Artistas de Cuba (Uneac).
LA CIENCIA PARA TODOS
m o c . a ic m o n o c e a r u lt u c e d o d n o f. w w w
227
