Misterios del código genético

doble hélice de ADNUno podría pensar que ya lo ha visto todo, sobre todo si lleva varias décadas en esto de la genética. Pero lo bonito de la ciencia es que no deja de depararnos sorpresas. Natalia Ivanova, investigadora del Instituto de Genomas de California, estaba analizando los genomas de muchos mibrobios y vio que cuando el ordenador calculaba las proteínas codificadas por esos genomas, en algunos casos eran demasiado pequeñas (el tamaño medio de las proteínas en bacterias suele estar en torno a los 800 aminoácidos, pero en estos genomas no pasaría de 200). Imaginen la cara que se le quedó cuando comprobó que un sencillo truco arreglaba el problema: “recodificar” (o sea, cambiar el significado) de uno de los codones de parada para que, en vez de significar STOP, introdujese el aminoácido glicina y así se pudiera seguir añadiendo aminoácidos…

El problema es que esto no debería suceder, porque en teoría el código genético es universal. Y universal quiere decir que todos los seres vivos imaginables utilizan la misma codificación, según la cual un codón (un triplete formado por tres letras) tiene un significado unívoco: añadir un aminoácido concreto a la proteína que se está formado, o parar el proceso. Para esto último, el código genético cuenta con tres codones “STOP”; ahora parece que uno de ellos puede tomar, a veces, otros significados. Aunque ya se conocían algunos casos de esta anomalía, eran excepciones contadísimas, rarezas genéticas. Lo que ahora publican estos científicos en la revista Science, en cambio, es que se trata de algo bastante frecuente. En algunos ambientes, de hecho, hasta el 10% de las especies bacterianas analizadas llevan a cabo este tipo de “recodificación”. ¿Cómo no lo habíamos visto antes?

Para entenderlo habría que recordar aquí la metáfora de la farola, que a menudo se aplica a la ciencia experimental: si sólo buscas allí donde llega la luz de una solitaria farola, hay muchas cosas que quedarán en la oscuridad y no verás nunca. Lo cual se aplica perfectamente al análisis de genomas bacterianos, porque hasta ahora sólo se habían estudiado mayoritariamente las bacterias que crecen en los medios de cultivo de los laboratorios, que en realidad sólo son una minoría de las que pululan en la naturaleza. Los avances tecnológicos de estos últimos cinco años han hecho posible, por primera vez en la historia, leer los genomas de todas esas otras especies “incultivables”, y esto ha permitido a Ivanova y sus colegas analizar 1.700 muestras de distintos ambientes (incluyendo 17 sitios distintos del cuerpo humano). Así llegó la sorpresa.

¿Dónde nos lleva esto, además de recordarnos lo poco que conocemos? Desde el punto de vista práctico hay consecuencias muy claras, especialmente en el campo de la Biología Sintética que está tan de moda (como contaba yo aquí en uno de los últimos posts). A la hora de crear organismos sintéticos los científicos generalmente recodifican sus genomas como medida de seguridad, de modo que no puedan interferir con los seres vivos de la naturaleza. Pero si muchas bacterias son capaces de saltarse los STOP naturales, quizás no tendrían muchas dificultades en adaptarse a esos cambios introducidos artificialmente. Habrá que estudiarlo a fondo…

Ampliando el alfabeto de la vida

alfabetoNuestro alfabeto tiene unas veintitantas letras. Imagínate lo difícil que sería escribir este post con un alfabeto de tan sólo cuatro. Y sin embargo, cuatro son suficientes para construir un ser vivo enormemente complejo. Cuatro letras, los famosos cuatro nucleótidos representados por A, C, G y T que configuran todos los genomas. La célula “lee” esta información en grupos de 3, llamados codones, para ir añadiendo aminoácidos a las proteínas que se están sintetizando en los ribosomas; un determinado codón, un aminoácido concreto. Desde hace algún tiempo, los científicos exploran la posibilidad de añadir nuevas letras a este alfabeto, como ya contaba en estas páginas hace un par de años. La idea es atrayente: con más letras se pueden construir más palabras, el mensaje se hace más sofisticado. El resultado podría ser un ser vivo con características nuevas, que nunca se hayan dado en la historia del planeta.

Pero no es tarea fácil, porque los nuevos nucleótidos artificiales, las nuevas letras del alfabeto, deberían ser compatibles con la maquinaria que copia el ADN y, sobre todo, deberían pasar desapercibidos a esa otra maquinaria que se encarga de detectar nucleótidos aberrantes y repararlos. Pues bien, químicos de California acaban de demostrar que una bacteria puede vivir con ADN que contenga letras distintas de las cuatro que se dan en la naturaleza. Los investigadores experimentaron con dos nucleótidos, llamados d5SICS y dNaM, ya que previamente habían visto que son compatibles con el mecanismo de copia del ADN cuando tiene lugar dentro de un tubo de ensayo. Ahora han modificado un fragmento de ADN de forma que, en un punto concreto, lleva una pareja formada por estos dos nucleótidos. Ese fragmento fue introducido en una bacteria, y la bacteria fue capaz de copiar todo el fragmento sin eliminar los nucleótidos extraños. Así, durante 10 ciclos de división. Como la bacteria no fabrica por sí misma estos nucleótidos, los científicos usaron un gen procedente de algas que fabrica un “canal” por el que estas moléculas consiguen entrar en la célula.

Por ahora no está muy claro qué hace la bacteria con estas nuevas letras, porque al fin y al cabo sólo hay una posición con nucleótidos artificiales de entre los miles de letras que lleva el genoma de ese microbio. Pero no cabe duda que aumentar el alfabeto de 4 letras a 6 ya supone un paso considerable que en principio permitirá construir mensajes mucho más interesantes. Quizás podría llevar, incluso, a utilizar nuevos aminoácidos y dotar a la célula con nuevas funciones. Pero antes habrá que conseguir genomas que lleven muchas más posiciones ocupadas por estos nucleótidos extraños y ver qué sucede, si el organismo sobrevive y en qué condiciones. Y sobre todo, conseguir que la propia bacteria los fabrique, para no tener que depender de ellos. ¿Una bacteria con genoma completamente artificial, sin ninguna A, C, G y T sino con letras totalmente diferentes? No creo. Millones de años usando el mismo alfabeto han llevado a que muchos procesos celulares dependan de la secuencia concreta de estas cuatro letras en el genoma. Para sustituirlas todas en un organismo vivo habría que cambiar prácticamente toda la biología tal y como la conocemos. Eso sí sería biología sintética de verdad…

 

Sobre el origen de la vida aquí, o fuera de aquí…

Late Heavy BombardmentHace unas semanas he dado las clases sobre el apasionante asunto de la aparición de la vida en la Tierra, así que como tenía el tema rondando en la cabeza llamaron mi atención un par de artículos científicos recientes. Es un tema difícil para los no-iniciados, pero pronto espero tener lista una lección on-line que sirva como introducción para los que sienten curiosidad por esta cuestión.

Una de las propuestas que cada vez gana más popularidad es la panspermia molecular, según la cual algunas de las moléculas básicas que hicieron posible la aparición de seres vivos (hace unos 3.500 millones de años de esto) no se formaron aquí en la Tierra, sino que vinieron del espacio. El análisis de meteoritos que cayeron poco antes, especialmente unos llamados condritas carbonáceas, muestra que efectivamente trajeron consigo muchos de los “ladrillos” moleculares que forman los azúcares o los nucleótidos, por ejemplo, así que la cosa no es en absoluto descabellada. Ahora, una investigación de la NASA ha analizado ocho de estos meteoritos y ha encontrado una molécula llamada nicotinamida, que es una de las formas de la vitamina B3. Lo interesante es que esta molécula es un ingrediente básico de la vida, utilizado por todas las células en sus reacciones químicas. Quizás se formó en la Tierra primitiva, pero también es posible que la llegada desde el espacio fuese el espaldarazo definitivo que permitió la aparición de los primeros seres vivos.

En cualquier caso, los expertos están bastante de acuerdo en que la Vida apareció en los océanos primitivos. El problema, claro, es saber cómo eran esos mares hace 4.000 millones de años, su composición, temperatura, etc. Utilizando la información más aceptada actualmente, científicos de la Universidad de Cambridge han reconstruido las reacciones químicas que tendrían lugar en esas condiciones. La sorpresa fue que se pueden dar reacciones sencillas, que están en la base de los ciclos metabólicos fundamentales en las células vivas. Y todo esto sin necesidad de catalizadores que “aceleren” esas reacciones, gracias a la alta cantidad de hierro que había en aquellas aguas. Lo cual viene a reforzar otra de las hipótesis sobre el origen de la Vida: que lo primero en aparecer fue un metabolismo sencillo formado por unas pocas reacciones químicas, incluso antes de que apareciesen los ácidos nucleicos. Muchos otros investigadores creen que éstos últimos, en concreto el ARN, fueron los primeros en aparecer, pero para saberlo a ciencia cierta necesitaríamos una máquina del tiempo…

Todos para uno

Uno de los autores del artículo científico que os comento hoy declaraba en una entrevista: “uno de los mayores desafíos de la Biología es comprender los orígenes de la complejidad biológica”. No le falta razón, porque se está refiriendo a una de esas grandes transiciones en la evolución de los seres vivos, como es el paso de seres unicelulares a organismos formados por varias células que actúan conjuntamente. Aunque pueda parecer sorprendente, la multicelularidad apareció en diversas ocasiones a lo largo de la diversificación de la Vida; probablemente, por primera vez hace más de mil millones de años.

La aparición de seres multicelulares trajo consigo otra “innovación” muy importante, como es el hecho de que un organismo adulto se forma a partir de una sola célula que se ha desprendido de otro adulto multicelular. Dentro de las diversas teorías que existen para explicar la aparición de organismos formados por muchas células, esta innovación se consideraba como un evento bastante tardío: primero aparecieron los seres multicelulares, que se reproducirían “partiéndose” en grumos más pequeños; mucho tiempo después se habría desarrollado esta capacidad de “soltar” una única célula capaz de generar un nuevo individuo. Según esta nueva investigación, parece que la cosa podría haber sucedido más rápido de lo que se creía.

Los investigadores estudiaron un alga llamada Clamidomona (Chlamydomona, para los puristas) que es unicelular, o sea que crece como células únicas separadas. Llevaron a cabo “evolución experimental” al crecer estas algas en un tubo y seleccionar aquellas que tienden a formar grumos (que se van al fondo más rápido porque pesan más). Si separamos estos grumos del resto y los volvemos a poner en otro tubo, repitiendo el proceso muchas veces, vamos seleccionando aquellas que poseen la tendencia a formar estos agregados de células. El curioso hallazgo de los científicos fue que, después de tan solo 73 ciclos, en uno de los tubos las algas se habían convertido en un organismo multicelular.

Pero no fue esta la mayor sorpresa para los investigadores, sino el hecho de que esa primera población multicelular se reproducía “soltando” células libres que después dan lugar a nuevos organismos. O sea, que quizás esta forma de reproducirse estuvo presente ya en el momento de la aparición de los primeros seres multicelulares. Lo cual, añadido al hecho de que los científicos hayan conseguido hacer “multicelular” una especie que nunca en su historia evolutiva lo había sido, cambia bastante las teorías sobre las grandes transiciones evolutivas que tuvieron lugar a lo largo de la historia del planeta.

¿Proteínas marcianas?

resucitar proteínasEl profesor de la Universidad de Granada José Sánchez Ruiz es citado en la web de BBC News diciendo “Quizás hemos resucitado proteínas marcianas. Quizás el último ancestro universal común se formó en Marte y fue transferido a la Tierra”. Y es que todos los hallazgos que hacen los que se dedican a la exobiología tienen un especial atractivo, por las posibles implicaciones que acarrean. En este caso, la pregunta es cómo ha sido la evolución de la estructura tridimensional de las proteínas. Vamos por partes…

Una proteína es una molécula formada por la sucesión de otras más pequeñas llamadas aminoácidos, pero habitualmente no forma una “cadena” lineal sino que está plegada sobre sí misma formando una estructura en tres dimensiones. Dicha estructura no es aleatoria; de hecho, la función de una proteína depende en gran medida de que ese plegamiento sea correcto. Pero las proteínas, al igual que los genes que las codifican, han ido cambiando a lo largo de la evolución, lo cual sugiere una pregunta importante: si la secuencia de aminoácidos de una proteína actual es distinta a la que esa proteína tenía hace varios millones de años, es lógico pensar que también sus estructuras tridimensionales sean distintas. Pero entonces, ¿cómo pueden realizar la misma función?

Científicos andaluces, junto con colaboradores estadounidenses, parecen haber resuelto este enigma. En primer lugar, escogieron unas proteínas (llamadas tioredoxinas) que están presentes en todos los seres vivos porque llevan a cabo una función muy básica y necesaria. Comparando la secuencias de tioredoxinas actuales, los investigadores hicieron predicciones sobre cómo habría sido la secuencia de estas proteínas hace 1.500, 2.500 y 3.500 millones de años, más o menos. Después vino el paso más delicado: “resucitar” esas supuestas proteínas ancestrales sintetizándolas en el laboratorio. Al hacerlo, los investigadores comprobaron que se plegaban, lo cual indica que sus predicciones habían sido acertadas. Pero lo más notable es que las estructuras tridimensionales que formaban eran muy similares a las tioredoxinas actuales, a pesar de tener secuencias bastante diferentes.

Lo cual es fascinante, por supuesto, porque da bastante luz sobre la manera en que han evolucionado las proteínas. Por ejemplo, una región concreta de las tioredoxinas se expandió súbitamente hace poco menos de dos mil millones de años, coincidiendo con la aparición de las células que tienen núcleo. Esto apoya la evolución “a saltos” que han propuesto varios científicos. Además, resulta que las proteínas “resucitadas” más antiguas soportan mejor las altas temperaturas y los ambientes ácidos, que se supone eran los predominantes hace 3.500 millones de años cuando aparecieron los primeros seres vivos. O quizás sean así porque vinieron de fuera…

Los ingredientes de la vida

adnAprovechando que hoy he tuiteado un hallazgo “astrobiológico“, lo comento aquí junto con otro artículo relacionado que apareció hace unos días. Ambos tienen que ver con un viejo problema para explicar cómo pudieron formarse las primeras biomoléculas que hicieron posible la aparición de seres vivos en la Tierra. En concreto, una de las hipótesis más aceptadas es que antes de que el ADN y las proteínas se encargasen de codificar y descoficiar la información genética, esta responsabilidad recaía únicamente sobre el otro ácido nucleico, el ARN. Para que este “mundo ARN” hubiese sido posible, hay que demostrar que esta macromolécula se puede sintetizar por mecanismos sencillos que no requieren complicadas reacciones enzimáticas, pero hasta ahora los científicos han tenido problemas para comprender cómo podría ser esto. Aquí es donde hacen su aparición los nuevos hallazgos de los que estamos hablando.

Uno de los problemas es que la síntesis de ARN requiere buena cantidad de fósforo en un estado que le permita reaccionar con facilidad, pero en la actualidad la Tierra contiene muy poco fósforo en ese estado. Por eso es tan interesante que unos astrobiólogos americanos y escoceses hayan detectado que algunos minerales de hace unos 3.500 millones de años tenían cantidades elevadas de fósforo “reactivo”. Esto coincidiría con el final del famoso bombardeo de meteoritos que sufrió nuestro planeta por aquel entonces (época conocida técnicamente como el eón Hadeico). La conclusión es que esa lluvia de material extraterrestre aumentó la cantidad de fósforo en estado reactivo en los océanos, y así favoreció la síntesis de ARN.

Pero otro serio problema para poder fabricar ARN es que uno de sus componentes principales, el azúcar ribosa, es muy difícil de sintetizar de modo “no-biológico”, porque para ello hace falta una alta cantidad de otro elemento químico, el boro. Pero claro, no sabemos si en aquella época había mucho o poco boro en la Tierra. Investigadores del Instituto de Astrobiología de la Nasa, en Hawai, han estudiado piedras muy antiguas procedentes de Marte, encontrando unas arcillas muy ricas en boro. Esto tiene mucha importancia, porque por entonces Marte y la Tierra se parecían bastante más que hoy en día (en su composición química), por lo que arcillas ricas en boro podrían haberse dado también en nuestro planeta. Y esto favorecería la síntesis de la ribosa y del ARN.

Así que cada vez vamos teniendo más datos sobre la aparición de las biomoléculas que hicieron posible la vida sobre la Tierra. Curiosamente, muchas de estas evidencias vienen de fuera.

Vida en las profundidades… y mucha

vida en el fondo del marLa vida se expandió en la tierra gracias a la aparición de la fotosíntesis, ese proceso químico mediante el que se obtiene energía a partir de la luz solar. Por eso, uno no se esperaría encontrar muchos seres vivos en el fondo del océano, donde no llega la luz, y mucho menos dentro de la corteza terrestre. Sin embargo, un hallazgo científico publicado recientemente en la revista Science demuestra que precisamente dentro de esa corteza hay bacterias que utilizan hidrógeno para obtener energía a partir del CO2, un proceso conocido como quimiosíntesis. Y lo más sorprendente es que hay muchas.

Los científicos ya sabían que hay bacterias en algunas regiones del fondo del mar, como las chimeneas hidrotermales. Pero en el año 2004 un buque oceanográfico estadounidense taladró el fondo marino, obteniendo muestras de rocas basálticas enterradas a varios cientos de metros dentro de la corteza oceánica. Tras años realizando diversos análisis, los investigadores están seguros de haber encontrado bacterias capaces de realizar quimiosíntesis dentro de esas rocas. De hecho, no sólo las identificaron a través del ADN, sino que consiguieron cultivarlas en el laboratorio: las bacterias se multiplicaban e incluso fabricaban metano.

La corteza oceánica ocupa un 60% de la superficie del planeta, por lo que este nuevo hábitat podría convertirse en el mayor ecosistema de la Tierra. Basta recordar, por ejemplo, que la biomasa de todas las bacterias que viven en la superficie terrestre es más de mil veces la de todos los humanos que jamás hemos poblado nuestro planeta, lo cual nos da una idea de la dimensión de este nuevo hallazgo. Pero lo más interesante es que todo esto lleva a pensar que quizás la vida en la Tierra pudo empezar gracias a la quimiosíntesis. Si esto es así, no hay ninguna razón por la que no pueda suceder algo parecido en otros planetas que reúnan condiciones similares.