Rogério Meneghini
Hace 50 años, la revistaNature publicaba, en su número del 25 de abril de 1953, el artículo de James Watson y Francis Crick, en el cual se presentaba la estructura tridimensional de la sal del ácido desoxirribonucleico (ADN). Eran dos páginas en las que la primera expresión decía inicialmente: ?Nos interesaría sugerir una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico. Esta estructura tiene características inéditas, que son de considerable interés biológico?. Y terminaba afirmando: ?No se nos escapó que el apareamiento específico (de bases) que nosotros postulamos sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia para el material genético?. Esta última aseveración ha sido considerada como una de las más falsamente modestas de la literatura científica.
Mucho se ha escrito sobre la historia de este descubrimiento en libros y artículos. Entre éstos se incluyen, desde el ?best seller? de Watson de 1968,La Doble Hélice , hasta libros más recientes, entre los cuales figuran dos de autores brasileños:História da Biologia Molecular , de Rudolf Hausmann (actualmente en la Universidad de Freiburg, Alemania), yWatson e Crick , aHistória da descoberta do DNA , de Ricardo Ferreira (Universidad Federal de Pernambuco).
Probablemente los más famosos sonLa Doble Hélice y The Eight Day of Creation , de Horace F. Judson (Simon and Schuster, New York, 1979). El primero es una versión del propio Watson sobre la historia del descubrimiento, en la que, quizás por desear que se convirtiera en ?best-seller? o por su propia personalidad, imprimió un guión que destacaba los episodios más novelescos de los acontecimientos. Cuenta cómo logró obtener de manera sigilosa informaciones de datos cristalográficos de competidores (Rosalind Franklin, química y cristalógrafa del King?s College de Londres), y escarnece a otro competidor (Erwin Chargaff, bioquímico de la Universidad de Columbia de Nueva York), que criticaba de manera mordaz la ignorancia de Crick y Watson al respecto de la estructura química de las bases del ADN, Adenina (A) Timina (T), Guanina (G) y Citosina (C).
Chargaff había descubierto, al final de la década del 40, que en todas las muestras de ADN analizadas el contenido de A era igual al de T, mientras que el contenido de G igualaba al de C, e intentaba desmoralizar a Linus Pauling (químico ícono del siglo XX, a la época profesor del California Institute of Technology, que publicó en 1952 una propuesta de estructura del ADN, en la que las tres hélices se entrelazaban y en donde el fosfato aparecía protonado y sin carga; en el pH fisiológico, cerca de siete, el fosfato debería tener una carga negativa, como aprenden los alumnos de la carrera básica de química).
Watson tenía 23 años cuando fue revelada la doble hélice. Desde entonces, su personalidad cáustica tendió a hacer que le atribuyeran el papel del malo del descubrimiento. El libroLa Doble Hélice es divertido, pero no es confiable en términos históricos. Fue escrito en la época en que Watson se aprestaba a abandonar su carrera científica para convertirse en un administrador de ciencias (claro que los atributos mostrados en su libro lo acreditan para ello). Al final de la década de 1980, Watson encabezó el inicio del proyecto de secuenciamiento del genoma humano.
Sin lugar a dudas, aquéllos que deseen armar su propia historia del descubrimiento (y muchas pueden crearse, tal como los lectores pueden haber notado en otras lecturas) deben recurrir al libroThe Eigh Day of Creation , de Judson. Se trata de una soberbia y extensa obra (de 650 páginas) de periodismo científico. Judson pasó siete años entrevistando a los personajes implicados en el desarrollo de los acontecimientos, cotejando frecuentemente declaraciones y analizando documentos, trabajos científicos y cuadernos de laboratorio. Alcanzó el clímax de su actividad profesional cuando, más allá de relatar e interpretar las diversas facetas de las informaciones recabadas, llega al punto de explicar, con sus propios términos y su comprensión, la parte técnica que circundaba el descubrimiento.
Pero, ¿por qué entonces otro artículo? Creo quePesquisa FAPESP no puede dejar de recordar ese suceso, así como otras tantas revistas de ciencia. Con relación al hecho de que yo acepte la invitación para escribir algo sobre este tema, puedo decir que obedece a que tuve un fuerte entusiasmo al tomar conocimiento de este descubrimiento en 1963, y seguí mucho de lo que se escribió posteriormente sobre el mismo. Al fin y al cabo, a partir de 1965 trabajé en uno de los pocos laboratorios dedicados a hacer biología molecular en Brasil en aquella época: el del profesor Francisco J. S. Lara.
¿Por qué este descubrimiento despertó tan efusivo entusiasmo y tamaño encantamiento en el transcurso de los años subsiguientes?Watson dice en suDoble Hélice que fue el mayor descubrimiento de la biología desde la teoría de la evolución de Darwin. Por otra parte, Crick, el día de la concepción de la estructura, entró a un pub ubicado en el campus de la Universidad de Cambridge gritando: ?¡Descubrimos el secreto de la vida!?.Al margen de estos testimonios de los autores, el hecho es que muchos otros científicos compartieron luego afirmaciones, a lo largo de los años.¿Qué fue lo que llevó a la unicidad de ese descubrimiento? Probablemente una amalgama de factores, con una probabilidad muy pequeña de que nuevamente se produzca eso, que mezcló ciencia con aventura y arte.
En primer lugar, la estructura tiene una belleza intrínseca, perceptible incluso a los ojos de los legos.En segundo lugar, existe una lógica química en el ordenamiento estructural, que permite inmediatamente una interpretación biológica para la molécula del ADN. Aunque el término biología molecular haya sido acuñado en 1935 por Warren Weaver, de la Fundación Rockefeller, para describir de qué manera pueden comprenderse los fenómenos biológicos, fundamentalmente mediante el conocimiento de las estructuras de las moléculas y las interacciones y alteraciones de éstas, recién en 1953 se percibió de manera dramática esta correlación entre estructura y función, con el descubrimiento de la doble hélice. Este descubrimiento es por lo tanto un hito, de cara al pasado y al futuro, en lo que se refiere a esa biología molecular, hoy en día más conocida como biología molecular estructural.
En tercer lugar, fue una lucha de dos jóvenes David contra un Goliat poderoso. De hecho, Linus Pauling ya había descubierto la estructura helicoidal de las proteínas (a-hélice) juntamente con Robert Corey, y tenía informaciones acerca de que la estructura del ADN también podría ser helicoidal. Pauling era una eminencia de la fisicoquímica, por entonces con más 50 años, y ganaría el Premio Nobel en 1954, por sus trabajos con la estructura de las proteínas. Watson y Crick conocían las intenciones de Pauling, y obviamente, temían ser superados en la carrera.La figura de la estructura de ADN es tan ubicua que no cabe presentarla acá. De manera sucinta, esta estructura posee dos hélices que se entrelazan, formando una doble hélice. Imaginando un eje que corre en el centro de esa doble hélice, la estructura de cada hélice es formada por la secuencia de un azúcar (desoxirribosa) unida a un fosfato, y esta unidad va unida a otra idéntica innumerables veces, de manera paralela al eje de la doble hélice. El resultado sería: azúcar-fosfato-azúcar-fosfato, y así sucesivamente.
Una hélice sencilla tiene una polaridad, es decir: si se la recorre en un sentido, es diferente que si se la transita en el sentido opuesto. Un dato fundamental consiste en que las dos hélices de ADN se entrelazan con polaridades opuestas (llamadas hélices antiparalelas).La doble hélice se enrolla en sentido horario. Si se enrolla una cinta de papel en espiral alrededor de un lápiz, será posible hacerlo de dos formas, en sentido horario o en sentido antihorario. Ambas hélices así obtenidas son asimétricas y distintas: una es la imagen en espejo de la otra. Es lo mismo que sucede cuando una mano se refleja en el espejo. La mano derecha es la imagen de la izquierda, y viceversa.
Las bases A, T, C y G corresponden al tercer componente del ADN. Tienen estructuras planas y están también conectadas al azúcar. Pero sus planos se disponen ortogonalmente con relación al eje de la hélice. Tienen un apareamiento específico en un mismo plano: A en una hélice se contrapone a T en la otra, o G en una hélice a C en la otra. Por eso, se dice que las hélices son complementarias. Cabe notar que, por causa de este apareamiento específico, en un cierto ADN la cantidad de bases G es igual a C y la cantidad de G es igual a T, tal como lo había descubierto Chargaff.
La conexión química que une a las bases se denomina puente de hidrógeno. Estas fuerzas constituyen importantes elementos de estabilización de la doble hélice. Entre A y T existen dos puentes de hidrógeno, mientras que entre G y C hay tres. Si observamos estos pares de bases desde arriba, veremos que éstos tienen dimensiones y forma casi idénticas, de manera tal de permitir que el diámetro de la doble hélice permanezca constante a lo largo del eje. Si observamos la doble hélice de perfil, veremos que los pares de bases están apilados en forma ortogonal al eje, y con un recubrimiento parcial, a causa de la vuelta de la hélice.
Sería como si tomásemos fichas de dominó (que serían los pares de bases) y las apilásemos, de manera tal que la de arriba forme un ángulo de 36 grados de giro con la de abajo. Si apilásemos diez fichas, completaríamos 360 grados, es decir que una vuelta de la doble hélice corresponde a diez pares de bases. La distancia entre los pares de bases es de 3,4 angstrons (un angstron equivale a 10 -10 metro), de manera tal que el paso de la doble hélice (la distancia a lo largo del eje correspondiente a una vuelta completa) es de 34 angstrons.
Claro está que los elementos fundamentales de esta estructura suministraban una explicación completa de las dos propiedades más importantes del gen:la codificación de las proteínas, dada por la secuencia de bases, y la duplicación del gen: las cintas complementarias A y B se separarían y serían copiadas., A daría una nueva cinta B, y B, una nueva A. Se formarían dos nuevas hélices dobles AB y BA, idénticas a la doble hélice madre AB.
El encuentro de Watson y Crick es aquello que se puede llamar de fortuita complementaridad, moldeada para el descubrimiento que ellos harían. Ambos habían leído el libro del famoso físico Erwin Schrodinger¿Qué es la Vida? publicado en 1944. Muchos biólogos, físicos y químicos quedaron magnetizados por las especulaciones de Schrodinger al respecto de la naturaleza química del gen, hasta entonces desconocida. Schrodinger calificaba al material genético sólido como aperiódico. Aperiódico porque no podría ser repetitivo como un cristal de cloruro de sodio, pues sino, ¿cómo podría codificar tantas características distintas de un organismo? Sólido porque el gen no podría tener las propiedades de una sustancia orgánica común, es decir, sufrir cambios químicos con un índice relativamente alto a temperatura ambiente, incompatible con la estabilidad del gen. Schrodinger munía de argumentos a esta estabilidad con el ejemplo de los miembros de la dinastía Habsburgo de Austria, cuyos retratos, que databan de dos siglos atrás, mostraban frecuentemente una malformación labial.
Sin lugar a dudas, la estabilidad del material genético es actualmente explicada por el proceso de reparación del ADN, y ciertamente, Schrodinger utilizaba el término sólido como metáfora. Además el material genético debería tener propiedades que permitieran su reproducción.En 1946, Oswald Avery y sus colaboradores demostraron que el ADN constituía el material genético. No sorprende por lo tanto que varios científicos estuvieran interesados en el ADN a comienzos de la década del 50: virólogos, físicos, químicos y biólogos estructurales. No es de sorprender tampoco que Watson, hallándose en un congreso en Nápoles junto a Maurice Wilkins, se haya excitado al saber acerca del interés de científicos del King?s College, al cual Wilkins pertenecía, y del Cavendish Laboratory de Cambridge en los estudios estructurales del ADN.
Logró salir de Copenhague, en donde realizaba un posdoctorado, y con la ayuda de Salvador Luria, un renombrado genetista, por entonces en la Universidad de Illinois, y director de tesis de doctorado de Watson, se mudó eventualmente a Cambridge, al Laboratorio Cavendish. Allí conoció a Crick en octubre de 1951, que, con 35 años, trabajaba con la estructura de la hemoglobina como material de su tesis doctoral (en su juventud había trabajado durante la guerra como físico de radares, de allí ese atraso).
Comenzó así la gran aventura. Ambos tenían los mismos intereses. Eran jóvenes y desconocidos. No sabían casi nada sobre la estructura química del ADN. Algunos resultados de la difracción de rayos X del King?s College, obtenidos por Maurice Wilkins y separadamente por Rosalind Franklin, sugerían una estructura helicoidal. Hablaban con gran entusiasmo, y eran brillantes. Contagiaron a Max Perutz -quien posteriormente dilucidaría la estructura tridimensional de la hemoglobina-, que a su vez convenció a Sir Lawrence Bragg (director del Cavendish) para que los dejara trabajar con ADN.
Crick insistía que ellos no debían preocuparse mucho con los hechos y sí con la estructura en sí, basándose en datos de difracción de rayos X y utilizando una mezcla de intuición y deducción, únicamente con el empleo de los modelos de átomos introducidos por Pauling para definir las estructuras de la proteína. Visto desde otro ángulo, ¿qué otra cosa podrían hacer? No sabían cómo preparar muestras de ADN, jamás habían trabajado con un generador de rayos X para obtener fotos de difracción de rayos X y tenían parcos conocimientos sobre la química del material genético. Crick tenía una ventaja a su favor: sabía interpretar datos de difracción de rayos X. Los conocimientos de genética de virus y bacterias de Watson, provenientes del laboratorio de Luria, de poco servían en este escenario. ¿Cómo fue posible que en un año y medio ya estuvieran publicando el trabajo en la revistaNature , con la definición de la estructura de doble hélice?
Pueden citarse varios episodios relevantes: en noviembre de 1951, Watson estuvo presente en un seminario de Rosalind Franklin en el King?s College, que comentaba sus fotos de difracción de rayos X en fibras de ADN. Varios datos importantes fueron presentados allí: la unidad cristalina (la unidad que se repite y que suministra el patrón de difracción) sugería una gran hélice que contenía dos, tres o cuatro cadenas, varias moléculas de agua (cerca de ocho), en las cuales los fosfatos estaban en la interfaz de la hélice y del solvente acuoso (es decir, del lado externo de la hélice, al contrario que en la estructura planteada por Pauling). Varios relatos indican que Watson logró captar muy poco de lo que Rosalind discutió, y lo que es peor, no tomó nota de nada. Al ser cuestionado por Crick, suministró de memoria datos erróneos; principalmente falló con relación a los números de alto contenido de agua por unidad cristalina.
El primer modelo se construyó basado en esas premisas erróneas, y rápidamente fue descalificado por varios colegas del Cavendish y del King?s College. Crick argumentó más tarde que ese fracaso no habría sido únicamente culpa de Watson, por haber suministrado datos equivocados, sino también de él mismo, por no saber lo suficiente de química como para percibir que las cargas de los fosfatos implicarían un alto contenido de agua, no tenido en cuenta en el modelo. Por interferencia de John Randall (del King?s College) con Bragg, Watson y Crick tuvieron que desistir de trabajar con ADN, dejando eso para la gente del King?s College. Crick se abocó a su tesis con la hemoglobina y Watson indujo el crecimiento de cristales de proteína para Randall. ¿Qué más podrían hacer, sin empleo y en una situación transitoria, estando de paso por donde estaban?
Con todo, 15 meses después, Watson y Crick publicaban la estructura correcta del ADN.El punto de viraje se dio con la publicación de una posible estructura del ADN por parte de Pauling, también químicamente sin consistencia. No obstante, su mera publicación hizo caldear los ánimos en el Cavendish. No se conformaban por haber perdido la carrera contra Pauling en el descubrimiento de las estructuras a-hélice y hoja ß-plegada de proteínas y no podrían perder nuevamente con el ADN. Bragg reactivó a Watson y a Crick.En ese lapso, tanto Watson como Crick se habían preocupado por sentar sobre bases teóricas más sólidas sus pretensiones. Crick, juntamente con William Cochran y Vladimir Vand, publicó un artículo teórico sobre la interpretación de la difracción de rayos X en estructuras helicoidales. A su vez, Watson procuró entender mejor las estructuras de las bases del ADN.
Pero el gran salto se dio cuando el informe del equipo del King?s College para el Medical Research Council (que brindaba apoyo financiero al grupo de cristalografía) pasó por las manos de Perutz, quien se lo entregó a Crick. Los datos recientes de Rosalind Franklin sobre las medidas de difracción de rayos X de ADN estaban meticulosamente descritos allí. Datos reveladores a los ojos de observadores aguzados como Crick habían pasado desapercibidos por Rosalind Franklin. Años después, André Lwoff (del Instituto Pasteur) y Erwin Chargaff publicaron por separado artículos que indagaban si Perutzhabía sido ético al darle a Crick el informe del King?s College.
Horace Judson, en el libro The Eight Day of Creation, comenta que estudió minuciosamente los apuntes de laboratorio de R. Franklin. Según Judson, Franklin no se había dado cuenta de la importancia de sus datos. Había descubierto que, en condiciones más húmedas, el ADN pasaba de una forma A a otra B, la cual se mostraba claramente helicoidal. Con todo, le dio la espalda a la estructura B y se preocupó más con la estructura A, cuestionando si esta correspondía a una estructura helicoidal. La estructura B, al margen de ser más reveladora en términos de definición por difracción de rayos X, debería ser más cercana a la estructura fisiológica, en un medio acuoso.
Crick percibió claramente los parámetros geométricos de la unidad cristalina con base en los datos de Franklin (al fin y al cabo, Crick estaba desarrollando una tesis de doctorado en la cual la estructura de proteínas prescindía inequívocamente de esos parámetros), que permitieron concluir que había dos hélices corriendo en sentido antiparalelo, y que las bases estaban incuestionablemente en el interior de la doble hélice.Así y todo, faltaba entender de qué manera las bases de una y otra cadena interactuaban, manteniendo una estructura más rígida. Crick no aceptaba los puentes de hidrógeno, tan populares en aquel momento, debido a los descubrimientos de Pauling sobre la importancia de éstos en la estructura de las proteínas.
A partir de datos extraídos de libros y de textos, Crick admitía que las bases tenían una estructura enólica y no ceto (una cadena carbónica, con un grupo OH unido a un carbono, el que a su vez se une a otro carbono mediante una doble conexión. Puede estar en equilibrio tautomérico con una estructura en la que este mismo carbono está unido doblemente al oxígeno).Pero acá entra en escena otro personaje: Jerry Donohue, surgido del grupo de Pauling, que entendía de química más que cualquier investigador del Cavendish, y que en aquella época estaba en esa institución. Donohue notó inmediatamente que Crick estaba siendo dirigido por argumentaciones erróneas, ya que las estructuras estables de las bases debían estar en forma ceto, lo que permitía la formación de puentes de hidrógeno. La estructura del ADN se quedó prácticamente montada entonces en las cabezas de Crick y Watson.
No obstante, parecía que la última jugada le cabía a Watson. No logró esperar la fabricación de modelos atómicos por parte del taller del Cavendish, que se utilizarían para construir la estructura de ADN compatible con todas esas informaciones, y se puso a trabajar con modelos de cartón que él mismo construyó. Resulta casi increíble que Watson haya tenido la última palabra. No habiendo contribuido ni antes ni después para hacer mayores revelaciones científicas, y por haberse apegado a conjeturas poco esclarecedoras en el episodio del descubrimiento (como por ejemplo, que los puentes entre iones de magnesio y de fosfato estabilizarían la estructura de ADN), tuvo una revelación que lo condujo al punto final del descubrimiento.
Con sus rudimentarios modelos, pudo notar que el apareamiento de guanina y citosina y el de timina y adenina tenían contornos geométricos comparables, y que dos puentes de hidrógeno en estos pares serían los responsables de la estabilidad de la doble hélice, de acuerdo con las enseñanzas de Donohue. De esta manera el diámetro de la doble hélice permanecería constante a lo largo del eje. Ningún otro tipo de par permitía eso. Además, y tan importante cuanto ello, estos dos apareamientos harían justicia a los datos de Chargaff, que a decir verdad, eran tenidos más en serio por Watson que por los otros personajes involucrados.
Es curioso que tanto Watson como Crick sabían acerca de la regra de Chargaff y hayan inferido que ésta era importante en la replicación complementaria. Pero, tal como notó Crick: ?La paradoja de todo esto fue que, cuando ya teníamos todos los eslabones de la estructura listos, no habíamos usado la regla de Chargaff. Fuimos empujados hacia ella?. La estructura del ADN con los modelos del taller de Cavendish fue finalizada pocos días después. Sin embargo, al día siguiente de la visión de Watson, el 28 de febrero de 1953, éste y Crick sabían, aunque únicamente en sus cabezas, toda la estructura: ésta había emergido de las sombras de miles de millones de años, absoluta y simple, y fue vista y entendida por primera vez, de acuerdo con el relato de Judson.
La fascinación del descubrimiento se percibe también por algunos hechos: Watson y Crick, pese a ser jóvenes y sin una posición académica, lograron por su propio brillo ser el centro de atención de una comunidad de científicos de primera magnitud. Varios de éstos recibieron el Premio Nobel luego del descubrimiento de la doble hélice. Directamente implicados en la epopeya de la doble hélice estuvieron Lawerence Bragg (Nobel de Física en 1915), Linus Pauling (Nobel de Química en 1954), Alexander Todd (Nobel de Química, 1957), Maurice Wilkins (Nobel de Medicina o Fisiología en 1962) y Max Perutz y John Kendrew (Nobel de Química en 1962). Como ?mensajeros? estuvieron André Lwoff y Jacques Monod (Nobel de Medicina o Fisiología en 1965) y Max Delbruck, Alfred Hershey y Salvador Luria (Nobel de Medicina o Fisiología en 1969). Crick y Watson recibieron el Premio Nobel de Medicina o Fisiología de 1962, nueve años después del anuncio de la estructura de la doble hélice.
¿Cuán compleja es la estructura del ADN? He aquí la observación de Perutz, que acompañó todos los episodios del descubrimiento: ?Una proteína es mil veces más difícil que el ADN. El ADN fue comparativamente sencillo y pudo ser elucidado por el método de ensayo. Poca información se desprende de una fotografía de difracción de rayos X; lo que Crick y Watson tenían realmente eran tres medidas limitadas: el ancho, la altura entre las bases paralelas apiladas y la altura de una vuelta completa de la hélice. Con esos datos, ellos sabían que el mismo patrón recorría periódicamente a lo largo del eje de la fibra. Obedeciendo a estos tres parámetros, lograron resolver la estructura con modelos de construcción. No es posible resolver la estructura de proteína mediante este método, pues no existen patrones de repetición. Para determinar dichas estructuras es necesario determinar varios miles de parámetros a partir de las fotografías de rayos X?.
Una asertiva de Jacques Monod, otro teórico de la biología molecular, parece catapultar a Crick a su debido contexto: ?Francis (Crick) estudiaba efectivamente más que nosotros. Nadie descubrió o creó la biología molecular. No obstante, un hombre dominó intelectualmente el área, porque sabía más que nosotros y entendía más que nosotros: ¡Francis Crick!?.¿Qué sucedería si los nombres de Watson y Crick fuesen borrados de la historia de la ciencia, en un ejercicio intelectual? Gunther Stent, un famoso biólogo molecular, argumentó: ?Si Watson y Crick no hubieran descubierto la estructura del ADN, en vez de que ésta fuese revelada con todo su glamour, sería presentada mediante un goteo lento, de manera tal que su impacto habría sido mucho menor?. Con este argumento, Stent sentencia que un descubrimiento científico es más bien un trabajo de arte, mucho más de lo que en general se lo admite.
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