Teoría del ADN: JACQUES MONOD

Teoría del ADN: JACQUES MONOD

Francois Jacob, Jacques Monod y André Lwoff compartieron el Premio Nobel en 1965 por sus contribuciones a los descubrimientos en la "regulación genética de la síntesis de enzimas y virus".

Jacob y el operador

Jacob nació el 17 de junio de 1920 en Nancy, Francia, fue médico y genetista celular y se educó en el Liceo Carnot en París. Sus estudios fueron interrumpidos por la segunda guerra mundial y la caída de Francia, de tal modo, que se tuvo que trasladar a Inglaterra donde se unió a las fuerzas de liberación de su país.

Sirvió como médico en varias batallas en el norte de África, sufrió heridas en Tunez y en Normandía en 1944. Las secuelas de estas heridas lo obligaron a abandonar sus planes de ser cirujano, pero terminó sus estudios médicos después de la guerra.

En 1947 presentó su tesis sobre la tirotricina, un antibiótico que había sido aislado por René Dubos. Como ya no quería practicar la medicina, Jacob trabajó para el Centro Nacional de Penicilina, pero se aburrió y al no quedar satisfecho, volvió a la investigación en biología y después de mucho insistir ingresó en el Instituto Pasteur. Allí se inició como ayudante de investigador en 1950. Para 1960 ya era el jefe del Departamento de Genética Celular del Instituto Pasteur y, desde 1964, ocupó la Jefatura de Genética Celular en el Colegio de Francia.

Bajo la dirección de André Lwoff, el primer proyecto de Jacob fue explorar varios aspectos de Pseudomonas, una bacteria bastante especial, es una bacteria lisogénic. Jacob estudió varios factores, como la irradiación por luz ultravioleta, la cual "induce al profago" a la producción de partículas de virus, es decir, que esa cepa bacteriana tenía el virus presente pero "dormido". Este tópico, junto con un análisis de la inmunidad genética, o condiciones que favorecen el silencio del virus, fue el objetivo de su tesis doctoral, obtuvo el grado de doctor en mayo de 1954.

Entre 1954 y 1958, Jacob colaboró con Elie Wollman y juntos establecieron una teoría de la "sexualidad en bacterias". Previamente se había pensado que las bacterias se reproducían por simples divisiones celulares sin la adición de material genético de otros organismos de la misma especie; sin embargo, fueron capaces de demostrar que las bacterias, en realidad, intercambian material genético entre células individuales en un proceso llamado conjugación, en el cual la bacteria macho introduce una banda tipo espagueti de cromosoma dentro de la bacteria hembra. Agitando mecánicamente a las bacterias en varios tiempos durante la conjugación, proceso que Jacob llamó "una especie de coitus interruptus", Wollman y Jacob descubrieron que los genes entran a la célula en un orden específico y que su posición en los cromosomas puede ser mapeado. Le dieron el nombre de episoma al material genético añadido.

Jacob observó, además, que aunque las bacterias de la misma especie pueden pasar sus genes en forma desordenada, el orden de los genes sigue la misma secuencia. Concluyó que el cromosoma bacteriano era circular.

Cuando Jacob llegó al Instituto Pasteur, Monod había estado ahí por cinco años trabajando sobre enzimas y Lwoff ya había descubierto el método de la luz ultravioleta para la inducción del profago en bacterias lisogénicas.

Jacob dejó un relato sobre cómo los laboratorios de estos científicos estaban localizados en extremos opuestos en el mismo corredor y cómo su propio laboratorio, localizado entre los dos, era el sitio del té de las cuatro de la tarde. Él usaba esta analogía del plan del piso para describir sus contribuciones a sus aparentemente diferentes trabajos como una rápida visión, en 1958, que en sus situaciones disparadas ambos trabajaban sobre manifestaciones de los mismos mecanismos genéticos. Jacob se dio cuenta de que cada fenómeno, la inducción del profago de Lwoff y la estimulación de la producción de la enzima por Monod, eran ambos el resultado de la expresión de un gene por la eliminación de un represor.

Esa perspectiva lo condujo a la elegante teoría del operón del control genético y del ARNm. En esencia esta teoría sostiene que la elaboración de una enzima o proteína es "encendida" cuando una sustancia represora es eliminada de un sitio que controla el operador; por lo tanto se dispara, la transcripción de la clave del ADN en ARN, que usa el mensaje para construir la proteína. Cinco años más tarde compartió el Premio Nobel por este trabajo.

Durante varios años, desde que inició su colaboración con Monod, Jacob ha publicado otros importantes estudios en los campos de la genética, biología celular, virología y oncología. Se ha dicho que estuvo "profundamente desilusionado" por la falla del grupo Pasteur al aislar la proteína represora e identificar al operador como ADN; estos logros fueron realizados por científicos de Harvard, B. Müller-Hill y W. Gilbert entre 1966 y 1967.

Sin embargo, junto con Sydney Brenner, Jacob continúo trabajando en genética, sobre todo en el control de la división celular. En 1963 desarrollaron la hipótesis del replicón para explicar el control de la replicación del ADN en las bacterias. En una serie de artículos publicados entre 1968 y 1971, Jacob e Hirota y otros científicos, describieron la división celular de la Escherichia coli con atención especial a las alteraciones de las proteínas de la membrana y la producción de bacterias sin ADN. 

Mucho de su trabajo realizado desde 1970 se ha basado en técnicas de cultivo de células de mamíferos, en los cuales ha hecho contribuciones importantes. Las células derivadas del embrión de ratón y del teratocarcinoma murino (cáncer), pueden ser usadas como modelos para la exploración de los problemas fundamentales. Jacob aplicó estos medios del cual la progenie de las células tiene varias funciones potenciales y se especializan solamente en funciones específicas.

Jacob ha dejado escrita una historia de la herencia lúcida y epistemológica, que avanza de estructuras visibles a través de los cromosomas hasta las moléculas. Las conferencias "Jessie and John Danz" que dictó en Seattle, revelan su interés en la filosofía de la ciencia, específicamente en la teoría de la evolución y de sus limitaciones como ciencia, más allá de lo que se usa como un mito. También ha descrito el proceso de la evolución como un "manoseo" que "no se ajusta a ningún proyecto especial". Por medio de reacomodos de sistemas existentes, la evolución procede como una serie de pequeños cambios que pueden afectar profundamente la forma, la función y la conducta del organismo para producir nuevos objetos de mayor complejidad.

Monod describió a Jacob, en algun ocasión, como más "intuitivo" y "visual" que él mismo, pero Jacob también había sido más reservado y privado con ocasionales y tranquilas incursiones dentro de la esfera de la responsabilidad social.

Monod y el inductor

Monod nació el 9 de febrero de 1910 en París. Su formación académica en zoología la realizó en la Universidad de París (La Sorbona), concluyendo su doctorado en 1941. Como dominaba el idioma inglés, para él siempre fue fácil establecer contacto con la comunidad científica de habla inglesa y en particular con los genetistas norteamericanos. Por un tiempo trabajó en Estados Unidos en el Laboratorio de Genética del Grupo de Morgan, en el Instituto Tecnológico de California. Durante la segunda guerra munduial participó en la resistencia francesa y fue arrestado por la Gestapo en 1940.

Monod contribuyó a aclarar los mecanismos de control y de comunicación de la información genética dentro de la célula bacteriana. Pudo llegar a estudiar la biología molecular después de un entrenamiento tanto en zoología como en bioquímica y microbiología, que incluía técnicas para hacer crecer los organismos vivos en cultivo. Cuando comenzó a trabajar, se sabía que la información genética estaba asociada a los cromosomas, pero la naturaleza bioquímica de esta información, así como los medios para comunicarse y expresarse todavía eran un misterio.

Monod estaba fascinado por la genética, sin embargo, trabajaba en lo que en esa época parecía un problema diferente: estudiaba los factores que gobiernan la cinética del crecimiento en bacterias. 

Entre otras cosas demostró que en algunas mezclas de dos azúcares, el crecimiento bacteriano era regular y se llevaba a cabo por una curva exponencial normal, pero en otras había un crecimiento inicial acelerado seguido por una etapa de receso y luego un segundo brote. A este fenómeno Monod le llamó idauxy (crecimiento doble). En diciembre de 1940 Lwoff le sugirió que este fenómeno podía ser el resultado de una adaptación enzimática. Monod en esa época, nunca había escuchado este término, pero más tarde fue su principal tema de investigación.

El trabajo de Monod sobre enzimas lo acercó cada vez más a los avances excitantes de la genética. Él había estado preocupado por el potencial de las mutantes bacterianas tal y como habían sido descritas por Salvador Luria y Max Delbrück. Usando una mutante de bacteria aislada del intestino de André Lwoff (que la llamó ML o mutable Lwoff), su grupo investigó la enzima β-galactosidasa. Pudieron mostrar que las enzimas eran estables in vivo, bajo condiciones normales y que la adaptación realmente significaba, no un cambio en la enzima, sino en la síntesis de una molécula completamente nueva. 

Entonces Monod dirigió su atención a la producción de enzimas. En 1946 extrapoló sus pruebas y llegó a la conclusión de que una mutación, en una función de una enzima de adaptación, era el resultado de una previa mutación en un gene. Este razonamiento traía similaridades al trabajo contemporáneo de Gerti T. Cori y Carl F. Cori sobre los defectos metabólicos heredado desde el nacimiento. La adaptación de las enzimas podía concebirse como resultado de un gene ya presente, pero que estaba dormido y que había sido estimulado para fabricar su producto. 

Desde el año 1944, por el trabajo de Oswald Avery, se conocía que los genes estaban asociados con el ADN, pero la forma exacta como enviaban su mensaje, aún era desconocida. En una serie de experimentos que realizaron antes y después del anuncio de Watson y Crick sobre la estructura del ADN, en 1953, el grupo de Monod junto con Melvin Cohn, demostraron que las enzimas se sintetizaban a partir de aminoácidos en presencia de un "inductor", el cual se pensó era el sustrato sobre el cual actuaba la enzima.

La teoría del operón

El siguiente paso se dirigió al control de esta producción. Entre 1958 y 1963, en colaboración con Jacob, Monod realizó una serie de experimentos clásicos que condujeron a una teoría del control genético y que fue merecedora del Premio Nobel.

Utilizando enzimas bacterianas, estos investigadores anunciaron que la elaboración de una enzima, también llamada la expresión de un gene, toma lugar cuando un inhibidor llamado un "represor" es eliminado. Este famoso experimento fue bautizado como "PA-JA-MA (O)" por Pardee, Jacob y Monod en 1959.

Los estudios posteriores relacionados con el origen y el mecanismo de acción del represor dieron lugar a la teoría del operón y del ARNm. El operón es una unidad genética que consiste de un grupo de genes adyacentes sobre el mismo cromosoma y que son los siguientes: a] genes estructurales, que se expresan mediante un intermediario o ARN mensajero para la elaboración de enzimas o proteínas estructurales; b] un promotor, el gene nos indica que a partir de ahí se produce el ARN mensajero y c] un operador ligado al promotor puede "encender" o "apagar" la expresión de los genes estructurales. 

Modelo del operón de Jacob y Monod. En este modelo se ilustra la producción de las tres enzimas responsables del metabolismo de las lactosas que está bajo el control del operón lac. Este sistema está integrado por 3 partes: el gene regulador, la región promotora/reguladora y los genes estructurales z, y y a. En (a) los genes estructurales están reprimidos por la integración del gene regulador y el operador. 1) el gene regulador se transcribe en ARN mensajero, 2) es traducido en una proteína represora que, 3) se pega al operador y lo bloquea y 4) se inhibe la transcripción del ARNm en los genes estructurales.

El represor es una sustancia elaborada por un "gene regulador" que se encuentra en alguna parte del material genético y actúa sobre el operón para apagarlo (caso simple). La inducción de la producción de la enzima es la separación del represor, por la presencia del sustrato u otra acción de control sobre el "gene regulador", el cual, por sí mismo, puede estar sujeto a la represión y la derrepresión. Cuando se elimina el represor, el "gene estructural" queda libre para la transcripción por el ARN mensajero, que lleva el mensaje que codifica a los ribosomas en el citoplasma donde es traducido por otra clase de ARN dentro de una cadena de aminoácidos formando una proteína.

De este modo puede decirse que Watson y Crick habían descrito la manera en que la información hereditaria estaba cifrada en la estructura de la molécula de ADN; Monod y Jacob explicaban la dinámica de cómo esta información se convertía en estructuras anatómicas y funciones fisiológicas.

Monod hizo todavía otra contribución importante, basada en la idea que se le ocurrió súbitamente hacia fines de 1961; una idea que él mismo describió como "el segundo secreto de la vida". Sugirió y más tarde encontró pruebas convincentes de que las interacciones entre enzimas y otras moléculas (como activadores, inhibidores y sustratos) dependen de las interacciones en la forma de la molécula de la enzima inducida por la presencia o ausencia de inhibidores y activadores, resultando en variada afinidad para el sustrato. A este mecanismo de control, dependiente de la forma, Monod lo llamó "alosterismo".

Lwoff y los mecanismos de control genético.

André Lwoff nació el 8 de mayo de 1902 en Ainay-le-Chateau, en el centro de Francia. Sus padres fueron de origen ruso y se incorporó al Instituto Pasteur en 1921 donde completó sus estudios de bachiller en ciencias y un año de medicina. Más tarde, en 1932, obtuvo un doctorado en ciencias por la Universidad de París.

En 1938 fue nombrado jefe del Departamento de Fisiología Microbiana en el Instituto Pasteur y, en 1959, profesor de microbiología en La Sorbona.

Sus intereses principales se dirigieron hacia la microbiología debido a la influencia que ejerció sobre él Elie Metchnikoff, quien era amigo de la familia. Tuvo gran talento para dedicarse a distintos campos como la teoría evoluiva, bacteriología, biología molecular y virología.

Su tesis sobre protozoarios sirvió para considerarse a los ciliados (que colonizaban dos especies diferentes de crustáceos) como orgnaismos que "descendían " a partir de precursores dentro de un patrón de continuidad genética.

Este concepto de evolución bioquímica le sirvió de tema central para su tesis doctoral. Junto con Félix Mesnil, quien fuera originalmente un colaborador de C.L. Alphonse Laveran, pudo estudiar el crecimiento y la nutrición en varios protozoarios.

Al observar que los requerimientos nutricionales cambiaban de una generación a otra pudo establecer la existencia de una pérdida de funciones bioquímicas y plantea la idea de la evolución como "pérdida de una función", que ahora se considera como un aspecto de un tipo de múltiples facetas de la curva evolutiva que incluye, además, un aumento en la diversidad.

Durante algún tiempo, entre 1932 y 1933, trabajó en Alemania con Otto Meyerhof y más tarde con David Keilin en Inglaterra, donde demostró la presencia de un "Factor V" esencial como nutriente para la baceteria Haemophilus influenzae. El punto culminante de su trabajo fue la publicación, en 1944, de su libro L'evolution physiologique.  

En realidad su trabajo sobre bacterias lisogénicas fue lo que le valió el reconocimiento para recibir el Premio Nobel junto con Jacob y Mond. Como sabemos, las bacterias lisogénicas son aquellas que pueden ser lisadas o destruidas, por virus que se dividen rápidamente y son llamados bacteriófagos.

Por medio de cuidadosos estudios con bacterias que previamente se habían dividido, pudo establecer el hecho de que todas las células hijas eran lisogénicas y que cuando se exponían a un estímulo adecuado, el virus latente podía multiplicarse y causar lisis celular. A este material genético viral lo llamó profago.

Más tarde Lwoff y sus colaboradores, Louis Siminouitch y Niels Kjeldgaard, pudieron en 1950 demostrar la inducción del profago por medio de la exposición a un cultivo bacteriano a la luz ultravioleta. Con este experimento estableció las bases para una serie de experimentos exitosos en biología molecular que incluye a aquellos de Jacob y Monod y que arrojaron luz sobre la inducción del profago, a la estimulación de la síntesis enzimática y finalmente a los mecanismos de control genético.

Por último, Lwoff dirigió su atención hacia la enfermedad como una relación metabólica entre el virus y el huésped, como es el caso del "virus de la polio". Tuvo la visión de un nuevo concepto para el tratamiento y la prevención de la enfermedad, en la cual la "infección viral" se mantiene bajo control por la presencia de un "represor", tal y como la había teorizado Monod, en lugar de un intento de aniquilar al virus que bien podía haberse integrado al ADN del huésped. Este interés lo condujo al estudio de los oncogenes, éstos son los genes que originan cáncer y que, probablemente, son generador por algunos virus.

Fuente. Biología molecular. Antes y después de la doble hélice. 1994. Ondarza, R. N. Siglo XXI Editores.
Publicado 25th March 2014 por Christian Neyoy Siari
Etiquetas: inductor operón promotor represor virus